본 논문에서는 마이크로스트립 전송선로를 이용하여 소출력 이동통신 기지국용 삼중대역 멀티플렉서를 설계하고 제작하였다. 이 멀티플렉서는 셀룰러, WCDMA, 그리고 LTE를 포함하는 3개의 이동통신 주파수대역에서 이용 가능하도록 설계하였으며, 통과대역에서는 0.8 dB 삽입손실과 1.5 이하의 정재파비 그리고 차단대역에서는 15dB 이상의 대역저지 특성을 가지도록 설계하였다. 제작된 삼중대역 멀티플렉서 시료로부터 얻어진 신뢰성 테스트의 결과, 모든 시료의 제반 특성이 통과 대역 824~894 MHz, 1920~2170 MHz, 2500~2690 MHz에서 최대 삽입손실 0.71dB, 정재파비 1.38, 저지대역 감쇄 15 dB 이상을 보임으로써 우수한 성능과 설계 규격에서 정한 규정을 매우 잘 충족하고 있다.
본 논문에서는 마이크로스트립 전송선로를 이용하여 소출력 이동통신 기지국용 삼중대역 멀티플렉서를 설계하고 제작하였다. 이 멀티플렉서는 셀룰러, WCDMA, 그리고 LTE를 포함하는 3개의 이동통신 주파수대역에서 이용 가능하도록 설계하였으며, 통과대역에서는 0.8 dB 삽입손실과 1.5 이하의 정재파비 그리고 차단대역에서는 15dB 이상의 대역저지 특성을 가지도록 설계하였다. 제작된 삼중대역 멀티플렉서 시료로부터 얻어진 신뢰성 테스트의 결과, 모든 시료의 제반 특성이 통과 대역 824~894 MHz, 1920~2170 MHz, 2500~2690 MHz에서 최대 삽입손실 0.71dB, 정재파비 1.38, 저지대역 감쇄 15 dB 이상을 보임으로써 우수한 성능과 설계 규격에서 정한 규정을 매우 잘 충족하고 있다.
In this paper, a triple-band multiplexer using a microstrip transmission line was designed and fabricated to make use of a low power portable base station. This multiplexer was used in the triple-band including the cellular, WCDMA and LTE mobile frequency band, and designed to have an insertion loss...
In this paper, a triple-band multiplexer using a microstrip transmission line was designed and fabricated to make use of a low power portable base station. This multiplexer was used in the triple-band including the cellular, WCDMA and LTE mobile frequency band, and designed to have an insertion loss of 0.8 dB, low SWR of 1.5 in the passband and a band rejection of 15 dB in the stopband. From the measured results obtained by a confidence test for the fabricated multiplexer samples, the maximum insertion loss and SWR of the fabricated multiplexer samples in all passbands of 824-894MHz, 1920-2170 MHz and 2500-2600 MHz were below 0.71 dB and 1.38, and the attenuations in the stopbands were better than 15 dB. Therefore, the triple-band multiplexer has good performance and satisfies the design specifications.
In this paper, a triple-band multiplexer using a microstrip transmission line was designed and fabricated to make use of a low power portable base station. This multiplexer was used in the triple-band including the cellular, WCDMA and LTE mobile frequency band, and designed to have an insertion loss of 0.8 dB, low SWR of 1.5 in the passband and a band rejection of 15 dB in the stopband. From the measured results obtained by a confidence test for the fabricated multiplexer samples, the maximum insertion loss and SWR of the fabricated multiplexer samples in all passbands of 824-894MHz, 1920-2170 MHz and 2500-2600 MHz were below 0.71 dB and 1.38, and the attenuations in the stopbands were better than 15 dB. Therefore, the triple-band multiplexer has good performance and satisfies the design specifications.
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제안 방법
측정된 결과를 토대로 미비점들을 다시 보완하는 작업을 수행하였으며, 이렇게 얻어진 설계제원을 바탕으로 상용화가 가능한 완제품 멀티 플렉서 시료 5개를 완성하였다. 5개의 시료 제품은 온도의 변화와 입력 전력의 범위에 따라서 안정적인 동작을 보장할 수 있는 지를 평가하였으며, 이에 따른 멀티플렉서의 상세 규격을 만족하는지 여부를 평가하였다.
RF 특성 시험은 멀티플렉서의 안테나 포트 Ant를 네트워크분석기 1번 포트와 연결하고, Out2와 Out3 포트는 터미네이션으로 종단시켜 포트 간을 분리한 다음, Out1 포트를 네트워크분석기의 2번에 연결하여 삽입손실과 정재파비 및 대역제거 특성을 측정한다. 또 다른 Out2와 Out3의 측정은 측정하고자 하는 포트 이외의 포트는 터미네이션으로 종단시키고 포트 간에 분리도를 개선시켜서 간섭을 방지한 후 결과 데이터를 얻는다.
멀티플렉서의 하단 포트의 구성 형태는 맨 좌측에 셀룰러 이동통신을 수행함에 있어서 송수신 주파수 대역을 분리하고 합성하는 LTCC 듀플렉서와 연결되는 포트가 배치되어 있다. 그와 인접한 바로 우측에는 삼중대역 중에 가장 주파수 대역이 크게 이격된 LTE 이동통신을 담당하는 듀플렉서와 연결되는 포트가 구성되어 있으며, 맨 우측에는 WCDMA 신호를 처리하는 듀플렉서 포트를 배치하여 3개 이동통신 대역간의 주파수 간섭이 최소화 되도록 설계하였다.
본 논문의 삼중대역 멀티플렉서(multiplexer)는 안테나와 대역필터 사이에 놓여서 이동통신에 사용 중인 세 개의 주파수 대역을 통합하거나 분리하는 다중화기로서 안테나로부터 입력된 신호를 850 MHz, 2100 MHz, 2600 MHz 대역의 신호로 각각 분리하거나 또는 각각의 대역 필터로부터 입력된 신호를 통합하여 안테나로 공급하는 역할을 한다. 멀티플렉서를 구성하는 방법은 3개의 이동통신 주파수 대역별로 필터를 만들고, 분기/합성회로를 통하여 모든 주파수대역을 분리하거나 통합함으로써 삽입손실을 줄이고 포트간의 분리도를 높이도록 설계한다. 특히, 포트 분리도를 높이기 위하여 이동통신 주파수 대역을 크게 셀룰러 대역과 2 GHz 이상의 IMT International Mobile Telecommunications) 대역으로 나누어 구성하고, 다시 IMT 대역은 2100 MHz의 WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)와 2600 MHz의 LTE 대역으로 나누어 각 대역에서 전송되는 송수신 신호를 분리하는 듀플렉서(duplexer) 간에 간섭이 발생하지 않도록 설계한다.
삼중대역 멀티플렉서의 제반 성능을 파악하기 위하여 시뮬레이션 결과와 설계제원을 가지고, 시제품 샘플시료를 제작하고 측정하였다. 측정된 결과를 토대로 미비점들을 다시 보완하는 작업을 수행하였으며, 이렇게 얻어진 설계제원을 바탕으로 상용화가 가능한 완제품 멀티 플렉서 시료 5개를 완성하였다.
온도 특성 시험은 앞에서 언급한 RF 특성 시험 방법을 이용하여 멀티플렉서의 안테나 포트를 네트워크분석기 1번 포트와 연결한 다음, 멀티플렉서의 출력포트를 네트워크분석기의 2번 포트에 연결하여 삽입손실과 정재파비 및 대역제거 특성을 측정한다. 단 측정대상이 아닌 포트들은 터미네이션으로 종단시켜 포트 간에 분리도를 개선시키고 간섭을 방지한다.
이렇게 만들어진 제품에 알루미늄 판으로 외형가공을 한 다음, 동축 커넥터를 입력단과 출력 단에 연결하여 시제품을 생산하고 측정한다. 전력시험 측정은 신호발생기로부터 입력된 신호를 증폭기 AMP를 통하여 5 W 전력으로 증폭하여 멀티플렉서의 입력포트인 Out1에 인가하고 출력 포트인 안테나포트 Ant에서 나오는 전력레벨을 스펙트럼분석기를 이용하여 측정한다. 단, 고출력 에너지로부터 스펙트럼분석기를 보호하기 위하여 30 dB 감쇄기 (Attenuator)를 스펙트럼분석기 입력단에 설치한다.
제작된 멀티플렉서의 온도 변화에 따른 신뢰성 테스트를 위하여 측정온도를 +25℃, -35℃, +65℃인 3단계로 나누어 측정하였다. 우선, +25℃에서 피측정대상인 제작된 멀티플렉서를 측정 장비에 연결한 후 30분 동안 가동시키고, 그 다음 30분 동안은 온도를 +25℃에서 -35℃로 낮추고 나서 1시간 동안 지속적으로 가동한 다음 -35℃에서의 측정값을 얻는다.
멀티플렉서를 구성하는 방법은 3개의 이동통신 주파수 대역별로 필터를 만들고, 분기/합성회로를 통하여 모든 주파수대역을 분리하거나 통합함으로써 삽입손실을 줄이고 포트간의 분리도를 높이도록 설계한다. 특히, 포트 분리도를 높이기 위하여 이동통신 주파수 대역을 크게 셀룰러 대역과 2 GHz 이상의 IMT International Mobile Telecommunications) 대역으로 나누어 구성하고, 다시 IMT 대역은 2100 MHz의 WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)와 2600 MHz의 LTE 대역으로 나누어 각 대역에서 전송되는 송수신 신호를 분리하는 듀플렉서(duplexer) 간에 간섭이 발생하지 않도록 설계한다. 이 경우, 포트 간에 정합회로가 필요 없도록 병렬 분기 방법을 이용하고, 이웃하는 포트 간에는 간섭을 줄일 수 있도록 할당 주파수 이격 거리가 먼 주파수 대역 포트를 인접 거리에 배치한다.
성능/효과
Table 1은 제작된 5종의 삼중대역 멀티플렉서 샘플시료로부터 얻어진 신뢰성 테스트의 결과를 종합하여 표시한 시험 성적서로서, 모든 시료의 제반 특성이 통과대역 (P.B) 824∼884 MHz, 1920∼2170 MHz, 2500∼2690 MHz 대역에서 최대 삽입손실(I.L) 0.71 dB, 정재파비 (SWR) 1.38, 저지대역 감쇄(B.R) 15 dB 이상과 5W 전력 (PWR)에도 설계 규정에서 정한 모든 규격을 매우 잘 충족하고 있다.
65 dB 이하인 양호한 삽입손실과 15 dB 이상의 우수한 대역제거 특성을 나타내었다. 그리고 입력정재파비와 출력정재파비 특성은 통과대역에서 1.35:1 이하로서 1.5:1의 설계 규정을 만족하였다. 특히, 온도가 -35℃에서 +65℃로 올라감에 따라 통과대역내의 삽입손실은 0.
삽입손실 특성인 S21[dB]은 824∼894 MHz의 통과대역 주파수에서 -0.29 dB, S31[dB]은 1920~2170 MHz의 통과대역 주파수에서 -0.71 dB, S41[dB]은 2500~2690 MHz의 통과대역 주파수에서 -0.63 dB, 이외의 저지대역에서는 대역저지 특성이 -21 dB로 측정되어, 0.8 dB 이하인 양호한 삽입 손실과 15 dB 이상의 우수한 대역제거 특성을 나타내었다.
5 이하의 정재파비를 나타내어 설계규정 값을 만족하고 있다. 이동통신 3대역의 대역통과 제반 특성을 서비스 대역별로 살펴보면, 셀룰러 이동통신 서비스를 담당하는 824～894 MHz의 주파수대역에서는 0.3 dB 의 삽입손실과 1.35의 정재파비, 1920～2170 MHz 대역의 WCDMA 이동통신 서비스 대역은 0.6 dB 삽입손실과 1.38의 정재파비, 2500～2690 MHz 대역의 LTE 이동통신 서비스 대역에서는 0.6 dB의 삽입 손실과 1.4의 정재파비를 가지며, 저지내역 특성은 18 dB를 보여 15 dB 이상의 양호한 대역저지 특성을 만족한다.
측정 결과, 삼중대역 멀티플렉서 각각에 따른 5개의 시료들은 삽입손실, 정재파비, 저지대역 감쇄, 전력 테스트에서 모두 우수한 성능으로 파악되었다. 삽입손실 특성인 S21[dB]은 824∼894 MHz의 통과대역 주파수에서 -0.
삼중대역 멀티플렉서의 제반 성능을 파악하기 위하여 시뮬레이션 결과와 설계제원을 가지고, 시제품 샘플시료를 제작하고 측정하였다. 측정된 결과를 토대로 미비점들을 다시 보완하는 작업을 수행하였으며, 이렇게 얻어진 설계제원을 바탕으로 상용화가 가능한 완제품 멀티 플렉서 시료 5개를 완성하였다. 5개의 시료 제품은 온도의 변화와 입력 전력의 범위에 따라서 안정적인 동작을 보장할 수 있는 지를 평가하였으며, 이에 따른 멀티플렉서의 상세 규격을 만족하는지 여부를 평가하였다.
측정한 필터의 삽입 손실 특성인 S21[dB]은 824∼894 MHz의 통과대역 주파수에서 -0.24 dB, S31[dB]은 1920~2170 MHz의 통과대역 주파수에서 -0.6 dB, S41[dB]은 2500~2690 MHz의 통과 대역 주파수에서 -0.56 dB, 이외의 저지대역에서는 대역 저지 특성이 -15.6 dB로 측정되어, 0.6 dB 이하인 양호한 삽입손실과 15 dB 이상의 우수한 대역제거 특성을 나타내었다.
측정한 필터의 삽입손실 특성인 S21[dB]은 824M∼894 MHz의 통과대역 주파수에서 -0.29 dB, S31[dB]은 1920～2170 MHz의 통과대역 주파수에서 -0.64 dB, S41[dB]은 2500～2690 MHz의 통과대역 주파수에서 -0.567 dB, 이외의 저지대역에서는 대역저지 특성이 -15 dB로 측정되어, 0.65 dB 이하인 양호한 삽입손실과 15 dB 이상의 우수한 대역제거 특성을 나타내었다.
측정한 필터의 삽입손실 특성인 S21[dB]은 셀룰러 이동통신 통과대역 주파수 824∼894 MHz에서 -0.27 dB, S31[dB]은 WCDMA 이동통신 통과 대역 주파수 1920～2170 MHz에서 -0.65 dB, S41[dB]은 LTE 이동통신 통과대역 주파수 2500～2690 MHz에서 -0.63 dB, 이외의 저지대역에서는 대역저지 특성이 -15.7 dB로 측정되어, 0.65 dB 이하인 양호한 삽입손실과 15 dB 이상의 우수한 대역제거 특성을 나타내었다.
3은 이론적인 분석과 고주파 회로설계 시뮬레이션 툴인 ADS (Advanced Disign Software)를 사용하여 삼중대역 멀티플렉서 회로를 최적화하고 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그림이다. 회로 시뮬레이션 결과, 3개 (Cellular, WCDMA, LTE)의 모든 이동통신 주파수 대역에서 차단주파수대역의 스커트특성은 최소 18 dB 이하로 감쇄되어 15 dB 이상의 설계 규정을 만족하고 있으며, 통과대역에서도 0.5 dB의 이내의 삽입손실과 1.5 이하의 정재파비를 나타내어 설계규정 값을 만족하고 있다. 이동통신 3대역의 대역통과 제반 특성을 서비스 대역별로 살펴보면, 셀룰러 이동통신 서비스를 담당하는 824～894 MHz의 주파수대역에서는 0.
후속연구
이러한 대안으로 소수의 집적모듈을 연구하는 관련 분야에서 소형이면서도 낮은 전력에 사용할 수 있는 LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic) 적층기판 듀플렉서를 지속적으로 연구하고 있는 실정이다. 따라서 마이크로스트립 선로를 이용한 멀티플렉서는 이와 같은 이동통신 주파수 대역별 LTCC 듀플렉서들과 여러 종류의 필터를 하나의 기판에 집적하는 집적모듈로도 사용 가능할 것이며, 다목적 용도로 사용되는 다중대역 소출력 기지국을 위한 표준화 제품으로서도 필요하게 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
4G LTE 방식의 이동통신 기술이 활성화됨에 따라 나타나는 현상은 무엇인가?
근래에 들어 4G LTE (Long Term Evolution) 방식의 이동통신 기술이 성공적으로 활성화됨에 따라 스마트기기 사용자들 간의 데이터 전송량이 기하급수적으로 증가하게 되었고, 더불어 다중대역(multiband)을 이용하는 이동통신 수요자들이 데이터를 고속으로 처리하기 위한 광대역 통신망이 필요하게 되었다. 따라서 다수의 RRH (Remote Radio Head) 기지국이 셀 영역을 관할하는 기존의 이동통신망 형태에서 작은 셀영역(small cell)을 갖는 초소형 기지국과 인터넷 회선을 이용하는 펨토셀 (femtocell) 기지국들의 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상되고 있다.
멀티플렉서는 어떻게 구성되어있는가?
일반적으로 멀티플렉서는 특정한 채널로 들어오는 원치 않는 신호들을 억제하기 위한 필터링 기능을 갖는 여러 개의 공진기 또는 부분 대역 필터들로 복합 구성되어 있다. 기존의 연구 문헌에 보고된 마이크로스트립 선로를 이용한 멀티플렉서 구성 형태들은 매니폴드 (manifold) [1], 개방루프 (open-loop) [2-4], 계단임피던스 (stepped-impedance) [5,6], 다중모드 (multi- mode) [7, 8] 방법 등이 있다.
4G LTE 방식의 이동통신 기술의 활성화에 따라 무엇이 증가될 것이라 예상되어지는가?
근래에 들어 4G LTE (Long Term Evolution) 방식의 이동통신 기술이 성공적으로 활성화됨에 따라 스마트기기 사용자들 간의 데이터 전송량이 기하급수적으로 증가하게 되었고, 더불어 다중대역(multiband)을 이용하는 이동통신 수요자들이 데이터를 고속으로 처리하기 위한 광대역 통신망이 필요하게 되었다. 따라서 다수의 RRH (Remote Radio Head) 기지국이 셀 영역을 관할하는 기존의 이동통신망 형태에서 작은 셀영역(small cell)을 갖는 초소형 기지국과 인터넷 회선을 이용하는 펨토셀 (femtocell) 기지국들의 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상되고 있다. 현재는 5 Watt급 이하의 소형 기지국에 세라믹 모노블럭(monoblock) 필터를 이용하여 송수신 신호를 처리하고 있으나 이는 인접주파수 감쇄 성능이 떨어져 다중대역 결합이 불가능하다.
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