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문제 정의
- 본 논문에서는 기존에 제안된 소형화 기법을 응용하여 단일 제어 전압을 갖는 튠어블 필터를 제안하였다. 기존에 제안된 소형화 기법은 양쪽이 접지된 구조와 캐패시터를 이용하여 임의의 평행 결합선로 필터를 매우 간단하게 소형화 할 수 있는 장점이 있었다.
- 기존 소형화 기법이 갖고 있는 장점인 고조파 특성 또한 약 15 dB 정도 얻을 수 있었다. 이로서 본 논문에서 제안하는 튠어블 필터에 대한 타당성을 검증하였다.
제안 방법
- 이때 가변 용량 다이오드는 결합 선로의 양쪽이 접지됨으로 인하여 쉽게 바이어스를 가할 수 있게 된다. 가변 용량 다이오드의 다른 쪽 끝은 안정적인 동작 및 가변 용량 다이오드 외에 바이어스 라인이 필터의 특성에 영향을 미치지 않게 하기 위하여 측로 캐패시터 g를 사용하여 접지하였다. 이때 제어 전압은 바이어스 라인과 평행 결합 선로의 양쪽에 있는 접지를 통해 가변 용량 다이오드에 가해지게 된다.
- 또한, 필터의 튜닝 특성을 시뮬레이션 하였다. 가변 용량 다이오드는 이상적인 캐패시터로 모델링하여 사용하였다.
- 이때 각 단에서 소형화를 위해 사용되는 캐패시터의 값이 소형화된 길이에 상관없이 항상 동일한 비를 유지하는 것을 이용하여 단일 제어 전압을 가지며, 동일한 특성을 유지하는 튠어블 필터를 제안하였다. 본 논문에서 제안된 튠어블 필터는 각단에 사용되는 가변 용량 다이오드의 캐패시턴스 값이 항상 동일한 비를 유지하면, 각 단의 2-포트 임피던스 특성이 항상 등가가 되므로 단 한 개의 제어 전압을 사용하여 필터를 구현할 수 있는 장점이 있다.
- 본 논문에서는 기존에 제안되었던 필터의 소형화 기법을 응용하여 제어 전압이 단 한 개만을 필요로 하는 헤어핀 형태의 튠어블 필터를 제안하였다. 본 논문에서 제안된 튠어블 필터는 기존의 소형화 기법에서 소형화를 위해 삽입된 캐패시턴스를 가변 용량 다이오드로 구현하여 가변함으로 중심 주파수가 변하게 설계하였으며, 이때, 모든 캐패시턴스의 비가 특정 비를 가짐을 이용하여 단 하나의 제어 전압으로 튜닝될 수 있게 하였다. 본 논문에서 제안된 튠어블 필터는 제어부가 간단하여지고, 필터부 자체 또한 소형화 기법을 이용하여 구현됨으로 인하여 전체 튠어블 필터 시스템의 소형화와 간소화를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 논문에서 제안한 튠어블 필터는 기존의 소형화 기법의 응용으로, 소형화로 인한 필터부 크기의 소형화와 단일 제어 전압을 사용함으로 인해 제어부의 간소화를 얻을 수 있다. 또한, 그 설계가 제시된 몇 개의 설계식으로부터 간단히 설계할 수 있다는 점과 기존 소형화 기법이 갖는 고조파 억압 및 스컷특성 의 개 선 또한 추가적으로 갖는 장점 이 있다.
- 이때 Go 값은 가변 용량 다이오드의 크기 또는 병렬로 연결된 동일한 다이오드의 개수를 조절함으로 조절할 수 있게 된다. 본 논문에서는 Toshiba 사의 1SV277 가변 용량 다이오드図를 사용하여 튠어블 필터를 구현하였으며, 각 단에 사용되는 다이오드의 개수를 한 개 또는 두 개를 선택함으로 캐패시턴스를 조절하였다.
- 이때 각 단의 결합 선로의 전기적 길이를 모두 동일하게 설계하면 표 1과 같이 G의 정수가 아닌 형태를 가지게 된다. 본 논문에서는 a를 가변 용량 다이오드의 개수를 조절하여 바꾸었으며, 따라서 각 단에 사용되는 캐패시턴스의 비는 항상 정수가 되어야 한다. 따라서 표 1의 캐패시턴스와 전기적 길이, 그리고 특성 임피던스의 관계식인 식 ⑴〜(8)을 역으로 전개하여, 원하는 캐패시턴스를 얻기 위한 전기적인 길이 0' 계산하고, 다시 특성 임피던스를 계산하여 표 2에 정리된 값을 얻을 수 있다.
- 최근 제안된 필터의 소형화 기법미은 끝이 접지된 구조와 병렬 캐패시터를 이용하여 매우 간단하게 필터를 소형화 할 수 있다는 장점이 있다. 본 논문에서는 기존에 제안되었던 필터의 소형화 기법을 응용하여 제어 전압이 단 한 개만을 필요로 하는 헤어핀 형태의 튠어블 필터를 제안하였다. 본 논문에서 제안된 튠어블 필터는 기존의 소형화 기법에서 소형화를 위해 삽입된 캐패시턴스를 가변 용량 다이오드로 구현하여 가변함으로 중심 주파수가 변하게 설계하였으며, 이때, 모든 캐패시턴스의 비가 특정 비를 가짐을 이용하여 단 하나의 제어 전압으로 튜닝될 수 있게 하였다.
- 본 논문에서는 제안된 필터 구조를 검증하기 위하여 900 MHz 중심 주파수에 10 % 비대역비(Fractional Bandwidth: FBW)를 갖는 0.5 dB 통과 대역 리플 체비셰프 필터를 제작 및 실험하였다. 900 MHz에서 필터는 일반 평행 결한 선로를 원래 크기의 절반 수준으로 소형화된 형태가 되며 설계식은 기존에 제시된 소형화 기법'”에 소형화로 인한 대역폭의 감소를 개선하기 위한 기법网이 응용된 것을 이용하여 설계하였다.
- 가변 용량 다이오드는 이상적인 캐패시터로 모델링하여 사용하였다. 시뮬레이션은 가변 용량 다이오드의 캐패시턴스 값을 표 2의 값부터 그 값의 두 배까지 변화시키며 삽입 손실 및 반사 손실을 계산하였다. 이때 각 단의 캐패시턴스는 표 2와 같이 항상 1:2: 2:2:1의 비를 유지하게 계산하여, 단일 전원으로 튜닝할 때의 상황을 시뮬레이션 하였다.
- 앞에서 계산된 결과를 이용하여 실제 튠어블 필터를 제작 및 측정하였다. 제작을 위하여 사용한 기판은 Taconic사의 CER-10( &=10, %=1.
- 기존에 제안된 소형화 기법은 양쪽이 접지된 구조와 캐패시터를 이용하여 임의의 평행 결합선로 필터를 매우 간단하게 소형화 할 수 있는 장점이 있었다. 이때 각 단에서 소형화를 위해 사용되는 캐패시터의 값이 소형화된 길이에 상관없이 항상 동일한 비를 유지하는 것을 이용하여 단일 제어 전압을 가지며, 동일한 특성을 유지하는 튠어블 필터를 제안하였다. 본 논문에서 제안된 튠어블 필터는 각단에 사용되는 가변 용량 다이오드의 캐패시턴스 값이 항상 동일한 비를 유지하면, 각 단의 2-포트 임피던스 특성이 항상 등가가 되므로 단 한 개의 제어 전압을 사용하여 필터를 구현할 수 있는 장점이 있다.
- 제안된 기법은 Toshiba사의 1SV277 가변 용량 다이오드를 이용하여 구현하였으며, 타코닉사의 CER-10 기판에 제어 전압이 0.5〜4 V로 변함에 따라 필터의 중심 주파수가 606-944 MHz로 3, 380 MHz 변하였다. 또한, 손실 특성 또한 3.
- 표 2에 계산된 값을 이용하여 대역 통과 필터를 설계하여 시뮬레 이션 하였다. 시뮬레이션은 Advan ced Design System 2005A(ADS2005A: ADS)[10]t 사용하였으며, 시뮬레이션에 사용된 평행 결합 선로는 ADS에 포함되어 있는 이상적인 평행 결합 선로 모델을 사용하였다.
대상 데이터
- 제작 및 측정하였다. 제작을 위하여 사용한 기판은 Taconic사의 CER-10( &=10, %=1.938 mm)을 이용하였으며, 필터의 형태는 헤어핀 형태로 구현하였다. 튠어블 필터에 사용된 가변 용량 다이오드는 Toshiba사의 1SV277 모델을 사용하였다.
- 938 mm)을 이용하였으며, 필터의 형태는 헤어핀 형태로 구현하였다. 튠어블 필터에 사용된 가변 용량 다이오드는 Toshiba사의 1SV277 모델을 사용하였다. 1SV277은 역 바이어스 전압 1 V에서 4.
이론/모형
- 5 dB 통과 대역 리플 체비셰프 필터를 제작 및 실험하였다. 900 MHz에서 필터는 일반 평행 결한 선로를 원래 크기의 절반 수준으로 소형화된 형태가 되며 설계식은 기존에 제시된 소형화 기법'”에 소형화로 인한 대역폭의 감소를 개선하기 위한 기법网이 응용된 것을 이용하여 설계하였다. 설계된 필터의 각 단의 특성 임피던스 및 캐패시턴스는 표 1 과 같다.
- 표 2에 계산된 값을 이용하여 대역 통과 필터를 설계하여 시뮬레 이션 하였다. 시뮬레이션은 Advan ced Design System 2005A(ADS2005A: ADS)[10]t 사용하였으며, 시뮬레이션에 사용된 평행 결합 선로는 ADS에 포함되어 있는 이상적인 평행 결합 선로 모델을 사용하였다. 시뮬레이션 결과는 그림 2에 정리되어 있다.
성능/효과
- 이때 비대역폭은 중심 주파수가 900 MHz에서 670 MHz로 가변됨에 따라, 10 %에서 9 %로 약 1 %의 변화가 발생되었다. 비대역폭의 변화는 가변 용량 다이오드를 조절하여 필터의 중심 주파수를 가변하는 과정에서 가변 용량 다이오드의 캐패시턴스가변함에 따라 필터의 각 단에서 임피던스의 특성이 어느 한 주파수 점에서는 등가를 잘 만족하지만 부하。가 약간 변화를 하기 때문이며, 이 경향과 정도는 예측이 가능하다圆 이러한 비대역폭의 작은 감소를 제외하고 매칭 등의 특성이 TO dB 정도로 원래 특성이 잘 유지되는 것을 알 수 있으며, 이로서 본 논문에서 제안한 필터의 타당성을 확인할 수 있다.
- 이는 가변 용량 다이오드의 역 바이어스 전압이 감소함에 따라 무부하。가 감소하여 손실이 증가하는 것으로 가변용량 다이오드를 이용한 튠어블 필터의 일반적인 특징이라 할 수 있다. 기존 소형화 기법이 갖고 있는 장점인 고조파 특성 또한 약 15 dB 정도 얻을 수 있었다. 이로서 본 논문에서 제안하는 튠어블 필터에 대한 타당성을 검증하였다.
- 비아의 경우 추가적인 인덕턴스와 저항을 발생시켜, 중심 주파수의 이동과 손실의 증가를 발생시킨다. 따라서 비아에서 발생하는 인덕턴스와 저항을 최소화시킬 필요가 있으며, 본 연구에서는 다수의 비아를 근접하여 최대한 많이 만들어 이러한 효과를 최소화하였다. 또한, 헤어핀 구조의 결합이 발생하지 않는 구부러진 부분은 가변 용량 다이오드의 부착 등 필터의 제작에 상당히 유리하게 사용될 수 있으나, 일반적인 평행 결합 선로 필터에는 존재하지 않는 부분이다.
- 중요한 연구 과제가 되어 왔다. 또한, 기존에 단순 기능의 전용 단말기에서 최근 하나의 단말기에서 서로 다른 주파수 대역 및 방식으로 동작하는 다양한 서비스를 복합적으로 지원하는 다중 대역-다중모드 형태로 발전함에 따라 튠어블 기능은 필터의 중요한 기능의 하나가 되었다. 이러한 초고주파 대역에서 튠어블 필터의 종류는 공진기의 크기를 기계적으로 조절하는 기계적 튠어블 필테'가변 용량 다이오드(variable capacitance diode: varactor diode)를 이용한 튠어블 필터时节 등이 있다.
- 5〜4 V로 변함에 따라 필터의 중심 주파수가 606-944 MHz로 3, 380 MHz 변하였다. 또한, 손실 특성 또한 3.7〜2.3 dB 수준으로 일반적인 가변 용량 다이오드를 이용한 튠어블 필터보다 우수한 수준이었다.
- 시뮬레이션결과는 그림 3에 정리되어 있다. 시뮬레이션 결과, 가변 용량 다이오드의 캐패시턴스가 2.6 pF(=(為)에서 5.2 pF(=2x(H)로 변함에 따라 중심 주파수가 900 MHz에서 670 MHz로 잘 가변되고 있는 것을 알 수 있다. 이때 비대역폭은 중심 주파수가 900 MHz에서 670 MHz로 가변됨에 따라, 10 %에서 9 %로 약 1 %의 변화가 발생되었다.
- 따라서 이는 설계 단계에 길이 및 선폭을 통해 예측이 가능하며, 이를 설계에 반영할 수 있다 이러한 기생 효과를 고려하여 레이아웃을 최적화하여 최종적으로 설계된 필터의 시뮬레이션 결과는 그림 5에 정리되어 있다. 이때 가변 용량 다이오드는 이상적인 캐패시터와 직렬 저항으로 모델링하였으며, Q 값은 데이터 시트를 참고하였다図 시뮬레이션 결과, 필터 특성은 가변 용량 다이오드와 기판의 손실로 인해 삽입 손실 특성이 최대 3.7 dB로 증가하였으며, 통과 대역 내 리플이 감소하였다. 중심 주파수는 900 MHz에서 670 MHz로 잘 가변됨을 알 수 있다.
- 본 논문에서 제안된 튠어블 필터는 제어부가 간단하여지고, 필터부 자체 또한 소형화 기법을 이용하여 구현됨으로 인하여 전체 튠어블 필터 시스템의 소형화와 간소화를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 제안된 튠어블 필터는 실제 필터의 제작 및 측정을 통하여 타당성을 검증하였다.
- 과 같다. 측정 결과, 제어 전압이 0.5〜4 V로 변함에 따라 필터의 중심 주파수가 606〜944 MHz 로 338 MHz의 넓은 주파수 범위로 가변되고 있으며, 시뮬레이션 결과보다 약간 더 넓은 결과이다. 이는 시뮬레이션에서는 가변 용량 캐패시터의 캐패시턴스가 최대 최소의 비가 두 배로 시뮬레이션 하였으나, 실제 1SV277 모델의 바이어스 전압을 0.
- 헤어핀 형태로 설계하였다. 헤어핀 필터는 레이아웃이 용이하고, 가변 용량 다이오드를 배치하기가 용이하여 본 논문에서 제안하는 필터의 구조에 적절하다. 시뮬레이션한 3단 필터를 구현하기 위해서는 모두 8개의 가변 용량 다이오드가 필요하며, 모든 다이오드는 동일한 것을 사용하였다.
후속연구
- 본 논문에서 제안된 튠어블 필터는 기존의 소형화 기법에서 소형화를 위해 삽입된 캐패시턴스를 가변 용량 다이오드로 구현하여 가변함으로 중심 주파수가 변하게 설계하였으며, 이때, 모든 캐패시턴스의 비가 특정 비를 가짐을 이용하여 단 하나의 제어 전압으로 튜닝될 수 있게 하였다. 본 논문에서 제안된 튠어블 필터는 제어부가 간단하여지고, 필터부 자체 또한 소형화 기법을 이용하여 구현됨으로 인하여 전체 튠어블 필터 시스템의 소형화와 간소화를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 제안된 튠어블 필터는 실제 필터의 제작 및 측정을 통하여 타당성을 검증하였다.
- 또한, 그 설계가 제시된 몇 개의 설계식으로부터 간단히 설계할 수 있다는 점과 기존 소형화 기법이 갖는 고조파 억압 및 스컷특성 의 개 선 또한 추가적으로 갖는 장점 이 있다. 본 논문에서 제안한 필터의 소형화 기법은 마이크로스트립 형태의 전송 선로뿐만 아니라 CPW, 스트립 라인, 또는 다층 구조의 전송 선로 등 다양한 구조에 적용 가능하며, MMIC(Monolithic Microwave Inte grated Circuit), LTCC(Low Temperature Co-fired Cera mic) 등의 집적 회로 설계 시 미세한 튠어블 필터의 설계를 가능하게 할 것으로 기대된다.
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