본 논문에서는 LC 필터 기술을 기반으로 하는 광대역 주파수 이중 하향변환기(Frequency Double Down-Converter)를 설계 및 제작하였다. 설계한 이중 하향변환기는 저잡음 증폭기, 혼합기, IF 증폭기, LC 필터 등으로 구성되며, DC-Block 커패시터와 RF-Bypass 커패시터로 구성된다. 설계 시에 기존 변환기의 능동소자를 수동소자로 구현하였으며 이에 따라 전력감소 및 저가의 비용을 실현할 수 있었다. 측정 결과, 제작한 주파수 이중 하향변환기는 중심 주파수 63MHz 에서 대역폭 100MHz (13~113MHz)인 광대역을 실현하였으며, 이득은 약 40dB 임을 확인하였다.
본 논문에서는 LC 필터 기술을 기반으로 하는 광대역 주파수 이중 하향변환기(Frequency Double Down-Converter)를 설계 및 제작하였다. 설계한 이중 하향변환기는 저잡음 증폭기, 혼합기, IF 증폭기, LC 필터 등으로 구성되며, DC-Block 커패시터와 RF-Bypass 커패시터로 구성된다. 설계 시에 기존 변환기의 능동소자를 수동소자로 구현하였으며 이에 따라 전력감소 및 저가의 비용을 실현할 수 있었다. 측정 결과, 제작한 주파수 이중 하향변환기는 중심 주파수 63MHz 에서 대역폭 100MHz (13~113MHz)인 광대역을 실현하였으며, 이득은 약 40dB 임을 확인하였다.
In this paper, the broadband frequency double down-converter based on LC filter technologies has been designed and implemented, and its performances are introduced. The Designed frequency double down-converter is consisted with a low-noise amplifier, mixer, IF amplifier, LC filter, DC-block capacito...
In this paper, the broadband frequency double down-converter based on LC filter technologies has been designed and implemented, and its performances are introduced. The Designed frequency double down-converter is consisted with a low-noise amplifier, mixer, IF amplifier, LC filter, DC-block capacitor and RF-bypass capacitor. Especially, instead of active devices of a typical converter, the suggested converter designed using passive devices to provide both low-power consumption and low-cost model. As results of the measurement, the implemented frequency double down-converter realizes the broadband performance with the bandwidth of 100MHz (13~113MHz) at the center frequency of 63MHz, and its gain is approximately 40dB.
In this paper, the broadband frequency double down-converter based on LC filter technologies has been designed and implemented, and its performances are introduced. The Designed frequency double down-converter is consisted with a low-noise amplifier, mixer, IF amplifier, LC filter, DC-block capacitor and RF-bypass capacitor. Especially, instead of active devices of a typical converter, the suggested converter designed using passive devices to provide both low-power consumption and low-cost model. As results of the measurement, the implemented frequency double down-converter realizes the broadband performance with the bandwidth of 100MHz (13~113MHz) at the center frequency of 63MHz, and its gain is approximately 40dB.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 이중하향방식을 이용한 주파수 하향변환기를 능동소자 대신 LC 소자를 이용한 필터 설계를 통하여 단일하향방식이 갖는 장점과 이중하향방식의 감도 및 선택도에 대한 장점을 혼합하여 시스템 성능 면에서는 우수하면서도 저전력 및 저가의 주파수 이중 하향변환기를 설계 및 제작하고자 한다.
본 논문에서는 이중 변환방식을 이용한 Ku 대역용 주파수 하향 변환기를 설계 및 제작하였다. 단일방식에 비하여 고가이며 비교적 제작이 어려우나 선택도, 민감도 및 안정도가 우수하여 위성 TV 수신용으로 적합한 방식이다.
제안 방법
전체적인 주파수변환기의 실험은 여러 가지 부분회로의 실험에 의해서 유도된 데이터의 소자 값들을 납땜으로 전체 회로를 구성한 후 주파수 파형분석기로 측정하였다. Fig. 6에 보인 바와 같이 RF 신호 입력을 위하여 Agilent 사의 E4432B를 사용하고 국부 발진용으로 HewLett- Packard 사의 E4432B를 사용하여 제작한 PCB 에 입력하였으며 출력 신호를 측정하기 위하여 Anritsu 사의 MS2718B 주파수 파형분석기를 사용하였다. 또한, 회로기판은 PADS 9.
리플이 0.1dB, 차단주파수 1,130MHz, 부하저항 50Ω 인 7차 기본 체비세브 저역필터를 설계하고 최적의 소자값을 계산하였다.
실험은 RF-Sim 프로그램을 사용하여 각 블록에 적합한 소자값을 도출하였으며 이를 바탕으로 실제 PCB 기판에 실장하였다. 시뮬레이션 결과와 회로망분석기를 이용하여 측정한 실험 결과를 비교, 분석하고 시스템의 성능을 높이기 위하여 튜닝을 진행하였다. 2개의 혼합기의 출력에 대하여 각각 실험하였으며 최종적으로 1,200MHz의 RF 주파수와 2.
또한, 설계 시 필터용 IC를 수동소자를 사용하여 제작함으로써 저 전력화가 가능하며 이에 따라 저가의 시스템을 구현하는데 용이하다. 실험은 RF-Sim 프로그램을 사용하여 각 블록에 적합한 소자값을 도출하였으며 이를 바탕으로 실제 PCB 기판에 실장하였다. 시뮬레이션 결과와 회로망분석기를 이용하여 측정한 실험 결과를 비교, 분석하고 시스템의 성능을 높이기 위하여 튜닝을 진행하였다.
차단주파수가 1,787MHz인 저역통과필터는 출력되는 주파수 성분 중에서 불필요한 4,137MHz 주파수 신호를 제거하기 위하여 제작하였다. 이 실험에서도 앞부분과 동일하게 저역통과필터와 고역통과필터를 각각 설계하고 이를 직렬 연결함으로써 대역통과필터를 구현하였다.
이와 같은 관점으로, 본 논문에서 설계한 혼합기는 RF 주파수인 fRF와 국부 발진 주파수인 fLO를 입력으로 하고 중간 주파수인 FIF를 출력으로 하는 3포트 회로망으로 비선형 소자와 대역통과필터, 그리고 고역 및 저역통과필터로 구성되어 있다.
저역통과필터를 통과한 신호로부터 13∼113MHz, 100MHz대역의 신호만을 추출하기 위하여 대역통과필터를 제작하였다.
전체적인 주파수변환기의 실험은 여러 가지 부분회로의 실험에 의해서 유도된 데이터의 소자 값들을 납땜으로 전체 회로를 구성한 후 주파수 파형분석기로 측정하였다. Fig.
대상 데이터
시뮬레이션 결과와 회로망분석기를 이용하여 측정한 실험 결과를 비교, 분석하고 시스템의 성능을 높이기 위하여 튜닝을 진행하였다. 2개의 혼합기의 출력에 대하여 각각 실험하였으며 최종적으로 1,200MHz의 RF 주파수와 2.937MHz, 1,800MHz 2개의 국부발진기를 사용하였다.
필터 제작을 위한 커패시터와 인덕터는 Size 1608 Chip 인덕터와 Size 1608 Chip 커패시터를 사용하였다. 제작한 필터는 Anritsu 사의 회로망분석기(Network Analyser) MS4623B를 이용하여 측정하였다.
첫 번째 혼합기의 출력단에서는 1,737MHz와 4,137MHz의 혼합된 주파수 신호가 출력된다. 차단주파수가 1,787MHz인 저역통과필터는 출력되는 주파수 성분 중에서 불필요한 4,137MHz 주파수 신호를 제거하기 위하여 제작하였다. 이 실험에서도 앞부분과 동일하게 저역통과필터와 고역통과필터를 각각 설계하고 이를 직렬 연결함으로써 대역통과필터를 구현하였다.
필터 제작을 위한 커패시터와 인덕터는 Size 1608 Chip 인덕터와 Size 1608 Chip 커패시터를 사용하였다. 제작한 필터는 Anritsu 사의 회로망분석기(Network Analyser) MS4623B를 이용하여 측정하였다.
데이터처리
950∼1,450MHz의 대역통과필터는 안테나 상층부에 존재하는 저잡음 차단하향변환기에서 보내온 신호를 원하는 주파수 대역만을 입력 신호로 사용하기 위하여 7차의 저역통과필터와 고역통과필터를 결합한 대역통과필터를 제작하고 측정을 통하여 RF-Sim 프로그램을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 비교, 분석하였다[10].
이론/모형
주파수 변환기에 사용되는 필터는 주파수 변환기 시스템의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소이며 본 논문에서는 감쇠 기울기가 높은 스커트 특성을 갖는 체비세브(chevyshev) 필터를 사용하였다. 체비세브 필터의 감쇠특성은 식 (1)과 같다[6, 7].
성능/효과
또한, 반사손실은 저역통과필터에서는 –19.402dB 가 나왔으며, 이는 통상적인 기준 -15dB 이하의 조건을 만족함을 보여준다.
실험결과, 1차 혼합기에서는 1,737MHz의 주파수가 정상적으로 출력되었으며 2차 혼합기의 출력은 중심주파수 63MHz에서 13∼113MHz의 대역에서 출력되어야 하지만 8∼ 126MHz 대역에서 신호가 출력되는 것을 확인하였다. 이는 제작과정에서 부정확한 정합과 필터의 차수가 낮아 스커트 특성이 열화된 것이 원인이라고 판단된다.
저역통과필터를 통과한 신호로부터 13∼113MHz, 100MHz대역의 신호만을 추출하기 위하여 대역통과필터를 제작하였다. 이 결과, 저역통과필터 113MHz에서 -2.287dB의 이득을 가지며 저역통과필터의 차단주파수 2배되는 지점을 확인했을 때 기준치 -50dB를 만족하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 반사손실은 저역통과필터에서는 –19.
이상적으로 하향변환기를 설계했다면 13∼113MHz 대역에서만 신호가 측정되어야 하지만 필터의 차수를 7차로 고정하고 설계하였기 때문에 스커트 특성이 이상적이지 못하여 8∼126MHz 대역에서 신호가 측정되는 것을 확인할 수 있었다.
이는 제작과정에서 부정확한 정합과 필터의 차수가 낮아 스커트 특성이 열화된 것이 원인이라고 판단된다. 제작된 하향 변환기의 이득은 평균 약 38.5dB로 설계 목표인 약 40dB를 비교적 만족하는 것을 확인하였다. 다만 잡음지수가 8.
후속연구
회로기판의 크기를 고려하여 필터 설계 시 차수를 낮게 하였으나 향후 부품의 효율적인 배치를 고려하여 필터의 차수를 늘이고 초기단의 증폭기의 설계에 이와 같은 결과를 반영한다면 상용화가 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
단일하향방식의 장단점은?
또한, 주파수 변환기에서 중심주파수 63 MHz로 하향시키며 2개의 IF 혼합기(Mixer)에 의해 최종적으로 TV 채널 주파수 대역인 6MHz 로 변환시켜준다[3, 4]. 이러한 주파수 변환기는 단일하향방식과 이중하향방식이 있으며 단일하향방식은 상대적으로 설계 및 제작이용이하여 제작비용이 적게 든다는 장점이 있지만 이중하향방식에 비해 수신부의 감도 및 선택도가 좋지 못하다는 단점이 있다[5].
위성을 이용한 직접방송 시스템의 장점은?
위성을 이용한 직접방송 시스템은 난시청지역 해소에 매우 유리하며, 장애물에 의한 ghost 현상이 없고 고해상도 TV 신호를 전송하는데 적합하여 많은 나라에서 연구되어 왔다. 현재 우리나라에서는 정지궤도 위성인 무궁화 위성을 이용한 서비스가 확대되고 위성통신에 대한 중요성이 부각됨에 따라 통신용 부품에 대한 국산화와 송수신 방식에 대한 기술 발전이 절실히 요구되고 있는 실정이다[1, 2].
LC 필터 기술을 기반으로 하는 광대역 주파수 이중 하향변환기의 구성은?
본 논문에서는 LC 필터 기술을 기반으로 하는 광대역 주파수 이중 하향변환기(Frequency Double Down-Converter)를 설계 및 제작하였다. 설계한 이중 하향변환기는 저잡음 증폭기, 혼합기, IF 증폭기, LC 필터 등으로 구성되며, DC-Block 커패시터와 RF-Bypass 커패시터로 구성된다. 설계 시에 기존 변환기의 능동소자를 수동소자로 구현하였으며 이에 따라 전력감소 및 저가의 비용을 실현할 수 있었다.
참고문헌 (12)
K. MIYA, Satellite Communications Technology. KDD Engineering and Consulting, Inc. 1982.
S. H. Lee, "Multi-band CMOS RF Down Converter", Hanyang Univ., 2009.
D. J. Kim, "Design and Implementation of Low Noise Block Downconverter for Ku-band Satellite Broadcasting", Kwangwoon Univ., 2002.
K. S. Lee, "A Study on the High-Density Down-converter MMIC using InGap/GaAs HBT for Ku-Band", Korea Maritime Univ., 2007.2
S. H. Kim, "A Study on the Design of RF Front -End Receiver for 2.4GHz Application", Inha Univ., 2003. 2
Byung-Man Min, "Design and Implementation of the Up/Down Converter with Improved LO-to-RF Isolation," Kwangwoon Univ., 2004.
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