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문제 정의
- 3의 구조를 조립하여 원하는 특성을 갖는 필터를 구현하기 위한 첫번째 단계로 먼저 사용 소자(인덕터, 캐패시터)를 구현해야 한다. 두 소자 중 첫 번째로 튜닝이 가능한 형태의 캐패시터 구현 방법에 대해 살펴보았다. Fig.
- 본 연구에서 튜닝에 유리한 새로운 구조의 저대역 대역통과필터 구조를 제안하였다. 제안한 구조는 저대역 스위치 필터뱅크 구현 시 스위치와 필터를 연결함에서 발생하는 부정합을 개선하기 위한 튜닝에 특히 적합한 필터이며 기존의 일반적인 튜닝구조(캐비티 형태) 필터에 비해 공진기 길이 성분을 갖지 않기 때문에 기본적으로 소형 구현이 가능한 형태이다.
제안 방법
- 25～2GHz(B4) 네 개의 대역으로 채널을 구분하였다. 각각의 필터는 500MHz 대역폭에서 랜덤하게 캐리어 주파수를 변경(어자일)하는 신호도 탐지하기 위해 인접대역을 500MHz씩 겹치도록 구성하였다. 네 개 필터의 대역은 주파수 분석에서 영상(Image) 신호 및 IF/2(Half-IF)에 의해 발생되는 신호 왜곡이 발생하지 않는 조건이 되도록 설정된 것이다.
- 결정된 네 대역 필터의 최적 구조를 정하기 위해 운용대역에서 가장 일반적으로 적용되는 집중소자, 분포소자, 모노블록, 캐비티 구조 필터에 대해 간단히 비교해 보았다. 먼저 집중소자의 경우 크기가 소형이고 고조파가 발생하지 않는 장점을 가지나 손실이 크고, 튜닝을 위한 상용 L, C 칩 소자값이 세부적으로 존재하지 않기 때문에 정밀 튜닝이 어렵다(L은 칩 소자가 아닌 페라이트 코어를 이용한 코일 또는 에어코일을 이용한 반 집중소자(Semi-Lumped Element)로 구현함으로서 튜닝을 용이하게 할 수 있다).
- 튜닝과정에서 제작된 필터뱅크는 스크류를 이용한 캐패시턴스 조절로 상당부분 튜닝이 이루어진다. 그 과정만으로 특성 적정화에 미치지 못한 경우 필터의 뒷면을 열고 인덕터를 튜닝하였다. 또한 스위치의 각 경로에서 약간의 튜닝을 수행하여 최종적인 특성을 도출하였다.
- 여러 요소를 검토한 결과 집중소자 대역통과필터[3,4]가 크기 및 저지대역 특성에 그나마 상대적으로 우수한 것으로 판단되었다. 그러나 앞에서 살펴본 바와 같이 정밀 단위의 값을 갖지 못하는 기존의 L, C 칩(Chip) 형태 대신 변형된 형태로 튜닝이 용이한 형태의 L, C를 구현할 수 있는 새로운 방법을 찾아 보기로 하였다.
- 두 번째로 튜닝이 비교적 용이하여 널리 사용되는 인덕터 구현 방법인 에어 코일(Air Coil)[7,8] 인덕터 구현 방법에 대해 살펴본다. Fig.
- 스위치 필터 뱅크는 말 그대로 스위치+필터+스위치로 구성된다. 따라서 전체운용대역에서 동작하는 스위치와 각각의 필터를 개별적으로 설계 및 제작하고 두 소자를 통합하여 구성한다. 그런데 두 소자(스위치와 필터)를 통합할 때 두 소자의 개별 특성을 그대로 유지하지 못하고 특성이 왜곡된다.
- 그 과정만으로 특성 적정화에 미치지 못한 경우 필터의 뒷면을 열고 인덕터를 튜닝하였다. 또한 스위치의 각 경로에서 약간의 튜닝을 수행하여 최종적인 특성을 도출하였다. 필터 튜닝 후 튜닝 나사의 너트에 에폭시(Epoxy) 처리를 하여 진동에도 견고하도록 하였다.
- 권선수를 정수로 하였기 때문에 Table 3에 의해 구현된 인덕터값과 Table 2의 실제 인덕터값은 적지않은 편차를 갖는다. 본 연구에서는 근사의 값을 갖는 인덕터 코일을 먼저 제작한 후 실제 필터 제작 과정에서 코일을 튜닝하는 방법을 취하였다. 따라서 서로 다른 인덕턴스에 동일한 코일 변수를 갖는 경우가 Table 3에 다수 존재함을 확인할 수 있다.
- Table 1의 요구 조건에 따라 주로 통과대역 아래쪽에 감쇄극을 갖도록 설계하였다. 시뮬레이션 결과로 필터 구성 및 소자값의 타당성을 확인하였기에 다음 단계로 필터 제작을 진행 하였다.
- 5～2GHz로서 4:1의 대역폭률을 갖는 광대역으로 비교적 저대역에 해당한다. 시스템의 주파수 분석을 통해 0.5～1.15GHz(B1), 0.65～1.45GHz(B2), 0.95～1.75GHz(B3), 1.25～2GHz(B4) 네 개의 대역으로 채널을 구분하였다. 각각의 필터는 500MHz 대역폭에서 랜덤하게 캐리어 주파수를 변경(어자일)하는 신호도 탐지하기 위해 인접대역을 500MHz씩 겹치도록 구성하였다.
- 본 연구에서 튜닝에 유리한 새로운 구조의 저대역 대역통과필터 구조를 제안하였다. 제안한 구조는 저대역 스위치 필터뱅크 구현 시 스위치와 필터를 연결함에서 발생하는 부정합을 개선하기 위한 튜닝에 특히 적합한 필터이며 기존의 일반적인 튜닝구조(캐비티 형태) 필터에 비해 공진기 길이 성분을 갖지 않기 때문에 기본적으로 소형 구현이 가능한 형태이다. 더불어 필터의 적정 위치에 감쇄극 구조를 쉽게 적용 할 수 있어 적은 단수로 높은 차단 특성을 얻을 수 있어 크기 축소에도 유용하다.
- 또한 스위치의 각 경로에서 약간의 튜닝을 수행하여 최종적인 특성을 도출하였다. 필터 튜닝 후 튜닝 나사의 너트에 에폭시(Epoxy) 처리를 하여 진동에도 견고하도록 하였다. Fig.
대상 데이터
- 유전율이 3.38인 Rogers사의 RO4003C 32mil 기판을 적용하였으며 기판의 디스크 패턴 직경은 5mm로, 디스크 패턴과 접지면 사이는 1mm의 띠로 식각하였다. 또한 디스크 패턴과 마주하는 튜닝 스크류부의 도체 디스크는 3mm의 직경을 갖도록 구현하였다.
- 제작된 4개 대역의 필터는 에질런트 E5071C 네크웍분석기를 이용하여 측정을 수행하였다. Fig.
성능/효과
- 16의 상태에서 미세 튜닝이 매우 어렵기 때문에 상기와 같은 정도의 특성을 얻기는 사실상 어려웠을 것으로 판단된다. 따라서 Fig. 17과 Fig. 18의 비교를 통해, 본 구조를 적용함으로서 얻을 수 있는 가장 큰 장점을 명확히 확인할 수 있었다.
- 17에 비해 특성이 상당히 개선 되었음을 알 수 있다. 또한 대역 양단에 정확하게 일치하지는 않지만 시뮬레이션의 경향과 유사하게 감쇄극이 뚜렷이 존재하여 우수한 차단특성을 제공함을 확인할 수 있다.
- 만약 본 연구에서 제안한 튜닝이 적합한 구조가 아닌 기존의 필터 방식(집중소자, 모노블록 공진기 필터)을 이용했을 경우 전술한 바와 같은 다양한 이유로 Fig. 16의 상태에서 미세 튜닝이 매우 어렵기 때문에 상기와 같은 정도의 특성을 얻기는 사실상 어려웠을 것으로 판단된다. 따라서 Fig.
- 1과 같은 직접결합 대역 통과필터[5]가 일반적으로 사용된다. 여러 고민 결과 이 구조에 기존의 L, C 칩(Chip) 소자 대신 에어코일(Air Coil) 인턱터와 튜닝 스크류를 이용한 갭(Gap) 캐패시터를 적용함으로서 튜닝 용이성를 극대화 할 수 있는 필터를 구현할 수 있을 것으로 판단하였다. 이런 개넘으로 Fig.
- 그런 다음 그 필터를 적용한 스위칭 필터뱅크를 구현하였다. 이 과정에서 스위치와 필터의 불연속에 의한 필터 특성 왜곡이 발생하였으며, 제안한 튜닝 구조를 이용해 비교적 쉽게 성능을 개선하여 요구 규격의 특성을 얻을 수 있었다. 이로부터 본 구조가 최종적으로 스위칭 필터뱅크 제작에 적합한 구조임을 확인할 수 있었다.
- 이 과정에서 스위치와 필터의 불연속에 의한 필터 특성 왜곡이 발생하였으며, 제안한 튜닝 구조를 이용해 비교적 쉽게 성능을 개선하여 요구 규격의 특성을 얻을 수 있었다. 이로부터 본 구조가 최종적으로 스위칭 필터뱅크 제작에 적합한 구조임을 확인할 수 있었다. 따라서 제안한 구조의 필터는 “넓은 저지대역 특성을 갖는 저대역 소형 튜너블 필터”를 필요로 하는 유사형태의 상용 또는 군용 수신기나 고주파 모듈에 추후 폭 넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 더불어 필터의 적정 위치에 감쇄극 구조를 쉽게 적용 할 수 있어 적은 단수로 높은 차단 특성을 얻을 수 있어 크기 축소에도 유용하다. 이를 입증하기 위해 먼저 제안한 구조로 4개 대역의 필터를 설계/제작하여 이론적인 시뮬레이션 특성과 유사한 시험 결과를 얻음으로서 제안한 구조가 대역통과필터로 등가화 됨을 입증하였다. 그런 다음 그 필터를 적용한 스위칭 필터뱅크를 구현하였다.
- 마지막으로 캐비티 형태의 콤 또는 인터디지털 필터는 저 손실 특성을 갖고, 튜닝에 있어 최적의 구조이지만 낮은 주파수에서 공진기의 길이가 이론적으로 매우 길어 크기 및 무게에 있어 적용이 매우 부적합하다. 이상에서 살펴본 바와 같이 결론적으로 가장 널리 사용되는 일반적인 필터 구조로는 스위칭 필터뱅크를 구성에 요구되는 튜닝 편이성과 본 연구의 운용 대역에서 소형 구현에 모두 부적합한 구조이다. 그러므로 본 연구에 적용 가능한 새로운 형태의 필터를 모색해야만 했다.
- 제시된 결과는 인터덕 코일과 튜닝 스크류를 통한 특성 적정화 과정을 완료한 상태의 결과이다. 특히 광대역에서 우수한 저지대역 특성을 얻을 수 있었던 주요한 이유는 제안하는 필터의 구조가 분포소자(Distributed Elements) 필터가 아닌 전송선로의 길이 요소를 의도적으로 배재한 반 집중소자(Semi-lumped Elements)를 사용함으로서 근본적으로 고조파 성분이 발생되지 않도록 고려한 결과로 판단된다.
- 제시된 결과는 인터덕 코일과 튜닝 스크류를 통한 특성 적정화 과정을 완료한 상태의 결과이다. 특히 광대역에서 우수한 저지대역 특성을 얻을 수 있었던 주요한 이유는 제안하는 필터의 구조가 분포소자(Distributed Elements) 필터가 아닌 전송선로의 길이 요소를 의도적으로 배재한 반 집중소자(Semi-lumped Elements)를 사용함으로서 근본적으로 고조파 성분이 발생되지 않도록 고려한 결과로 판단된다.
후속연구
- 이로부터 본 구조가 최종적으로 스위칭 필터뱅크 제작에 적합한 구조임을 확인할 수 있었다. 따라서 제안한 구조의 필터는 “넓은 저지대역 특성을 갖는 저대역 소형 튜너블 필터”를 필요로 하는 유사형태의 상용 또는 군용 수신기나 고주파 모듈에 추후 폭 넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
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