[논문]마이크로파 라디오미터를 위한 하모닉 억제 특성을 가진 헤어핀 필터

윤태순

doi:10.13067/jkiecs.2014.9.10.1169

마이크로파 라디오미터를 위한 하모닉 억제 특성을 가진 헤어핀 필터
Harmonic-Suppressed Hairpin Bandpass Filter for the Microwave Radiometer 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.9 no.10, 2014년, pp.1169 - 1174

윤태순 (호남대학교 이동통신공학과)

초록
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본 논문은 토양 수분 함유량 검출을 위한 L-band 마이크로파 라디오미터의 주파수 선택 및 우수한 수신감도를 위한 하모닉 억압의 헤어핀 필터에 관한 것이다. 전형적인 반파장 공진기가 공진주파수의 배수에서 하모닉을 가지는 것에 비해, 각 부분의 임피던스 비와 전기적 길이 비로써 하모닉 주파수를 조절할 수 있는 SIR을 이용하여 하모닉 억압 특성을 구현하였다. 필터의 하모닉을 효율적으로 억압하기 위해 5단의 헤어핀 필터에는 서로 다른 임피던스 비를 갖는 3종류의 SIR이 사용되었고, 제작된 필터는 1390 [MHz]의 중심주파수의 5배 주파수까지 35 [dB] 아래로 하모닉을 억압하는 특성을 가진다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, for improving the performance of selecting and the sensitivity of the L-Band microwave radiometer for remote sensing of soil-moisture, the harmonic-suppressed hairpin bandpass filter is described. As the harmonic frequencies of the SIR can be controlled by the ratio of the impedance and electrical length, SIRs are used in the hairpin BPF for suppressing harmonics. Manufactured harmonic-suppressed hairpin BPF has the SIRs of three types and its harmonic is suppressed under 35 [dB] until 5 times of the center frequency of 1390 [MHz].

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 필터에서는 중심 주파수의 배수의 주파수에서 하모닉(harmonic) 성분을 발생시키는데, 이러한 하모닉은 라디오미터의 수신 감도를 저해하는 요소가 된다. 따라서, 본 논문에서는 라디오미터의 수신 감도 향상을 위해 계단형 임피던스 공진기 (SIR: stepped impedance resonator)의 하모닉 주파수 특성을 분석하고 이를 통해 하모닉 억제의 필터를 설계 및 제작하고자 한다.
본 논문에서는 동일한 임피던스 비를 갖는 SIR(표 2의 첫 번째 공진기)에 의한 헤어핀 필터와 서로 다른 임피던스 비를 갖는 SIR을 이용한 헤어핀 필터를 설계 제작하였다. 그림 5는 PCB 상에 제작된 SIR을 통해 하모닉 억제된 헤어핀 필터의 실물 사진으로 필터의 전체 크기는 16.

제안 방법

마이크로파 라디오미터의 주파수 선택을 위해 중심 주파수 1390 [MHz]에서 대역폭 40 [MHz]를 가지도록 5단 체비쉐프 타입의 헤어핀 필터를 설계하였다. 헤어핀 필터의 인버터 구현을 위해 입·출력부는 탭선로를 이용하였고, 각 공진기 사이의 J-인버터는 75°의 전기적 길이에서 결합이 일어나도록 설계하였다.
본 논문에서는 하모닉 억제를 위해 많은 응용이 되고 있는 SIR의 특성을 분석하여 헤어핀 필터에 적용하였다. 전형적인 반파장 공진기가 공진주파수의 배수에서 하모닉을 가지는 것에 비해, SIR은 각 부분의 임피던스 비가 증가함에 따라 하모닉 주파수가 증가하고, 각 부분의 전기적 길이 변화에 따라서도 하모닉 주파수가 변화함을 나타내었다.
이러한 SIR의 특성을 이용하여 토양 수분 함유량 검출을 위한 마이크로파 라디오미터의 주파수 선택 및 우수한 수신감도를 위한 하모닉 억제의 헤어핀 필터를 설계 및 제작하였다. 필터의 하모닉을 효율적으로 억제하기 위해 5단의 헤어핀 필터에는 서로 다른 임피던스 비를 갖는 3종류의 SIR이 사용되었고, 제작된 필터는 1390 [MHz]의 중심주파수의 5배 주파수까지 하모닉을 35 [dB] 아래로 억제하였다.
필터의 공진기를 동일한 SIR로 설계하였을 때, SIR의 하모닉에 의해 필터의 하모닉이 발생되게 되므로, 효율적인 하모닉 억압을 위해 표 2와 같이 1390 [MHz]에서 기본 공진주파수를 가지며 서로 다른 임피던스 비 및 전기적 길이 비를 갖는 SIR을 설계하였다.
이러한 SIR의 특성을 이용하여 토양 수분 함유량 검출을 위한 마이크로파 라디오미터의 주파수 선택 및 우수한 수신감도를 위한 하모닉 억제의 헤어핀 필터를 설계 및 제작하였다. 필터의 하모닉을 효율적으로 억제하기 위해 5단의 헤어핀 필터에는 서로 다른 임피던스 비를 갖는 3종류의 SIR이 사용되었고, 제작된 필터는 1390 [MHz]의 중심주파수의 5배 주파수까지 하모닉을 35 [dB] 아래로 억제하였다.
헤어핀 필터의 인버터 구현을 위해 입·출력부는 탭선로를 이용하였고, 각 공진기 사이의 J-인버터는 75°의 전기적 길이에서 결합이 일어나도록 설계하였다.

대상 데이터

표 3에서 나타나듯, 각 SIR은 다른 임피던스 비와 전기적 길이 비로 인해 서로 다른 하모닉 주파수 특성을 가진다. 이러한 SIR들을 통해 AWR사의 MWO와 AXIEM을 이용하여 설계한 필터는 유전율 2.55, 높이 0.76 [mm]의 테플론 기판을 이용하여 제작되어 측정되었다.

성능/효과

동일한 임피던스 비를 갖는 SIR을 사용한 일반적인 헤어핀 필터는 중심주파수에서 삽입 손실 1.19 [dB], 반사 손실 34.63 [dB]로 측정되었고, 본 논문에서 제시한 하모닉 억제의 헤어핀 필터는 중심주파수에서 삽입 손실 1.21 [dB], 반사 손실 30.47 [dB]로 설계되어 삽입 손실 1.34 [dB], 반사 손실 27.85 [dB]로 측정되었고 중심주파수에서 14.5 [ms]의 군지연(group delay) 특성을 보였다. 또한, 일반적인 헤어핀 필터가 2743 [MHz] 및 5560 [MHz]에서 하모닉 특성을 보이는 것과 달리 본 논문에서 제시한 필터는 3640 [MHz]에서 37.
5 [ms]의 군지연(group delay) 특성을 보였다. 또한, 일반적인 헤어핀 필터가 2743 [MHz] 및 5560 [MHz]에서 하모닉 특성을 보이는 것과 달리 본 논문에서 제시한 필터는 3640 [MHz]에서 37.3 [dB]의 삽입 손실을 가지며 6000 [MHz]까지 하모닉이 억제된 것을 알 수 있다.
본 논문에서는 하모닉 억제를 위해 많은 응용이 되고 있는 SIR의 특성을 분석하여 헤어핀 필터에 적용하였다. 전형적인 반파장 공진기가 공진주파수의 배수에서 하모닉을 가지는 것에 비해, SIR은 각 부분의 임피던스 비가 증가함에 따라 하모닉 주파수가 증가하고, 각 부분의 전기적 길이 변화에 따라서도 하모닉 주파수가 변화함을 나타내었다. 1차 하모닉은 경우에는 높은 임피던스를 갖는 부분이 낮은 임피던스를 갖는 부분의 2배가 되는 전기적 길이를 가질 때 가장 큰 주파수에서 나타났다.

후속연구

본 논문에서 제시한 하모닉 억압의 헤어핀 필터는 L-band용 마이크로파 라디오미터에 응용될 것이며, 논문에서 제시한 SIR 특성을 이용하여 하모닉 억제가 요구되는 다양한 마이크로파 시스템에 응용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로파 라디오미터의 대역폭은?	마이크로파 라디오미터는 대역폭 40 [MHz]를 가지며 중심 주파수 1390 [MHz]에서 설계되고 있는데[1], 토양에서 복사되는 미약한 열잡음을 검출하기 위해서는 원하는 주파수 대역을 선택하는 우수한 특성을 갖는 필터를 통해 시스템의 수신 감도를 크게 높여야 한다.
	토양에 센서의 탐침을 삽입하는 접촉 방식의 토양 함수율 측정 센서는 어떤 단점이 있는가?	현재 통상적으로 널리 사용되고 있는 토양 함수율 측정 센서는 직접 현장의 토양에 센서의 탐침을 삽입하여 측정하는 접촉 방식으로 토양에 함유된 수분의 압력을 측정하거나 전극의 저항 변화를 이용하여 토양의 유전율을 측정함으로서 토양의 함수율을 측정한다[5]. 이러한 접촉 방식의 센서는 측정범위가 국소 지점에 한정됨에 따라 광범위한 지역에 대해 토양 함수율의 공간적 분포와 변화를 실시간으로 관측하기 위해서는 다량의 센서를 설치해야 하므로 정보 수집 및 유지 보수에 많은 인력과 비용이 요구된다. 따라서 다양하고 광범위한 육상지역을 대상으로 토양 수분 정보를 실시간 원격으로 수집할 수 있는 기술이 필요하며 이에 대한 마이크로파 라디오미터연구가 진행 중에 있다[1].
	마이크로파 라디오미터란?	마이크로파 라디오미터는 토양에서 복사되는 마이크로파 대역의 미약한 열잡음 전력을 수신하여 토양 수분 함유량의 변화를 실시간으로 원격 모니터링할 수 있도록 응용 가능한 시스템이다[1]. 이것은 지표면과 대기간의 물과 에너지 순환에 결정적인 영향을 미치는 수문기상 인자로써의 토양 수분을 통해 가뭄, 홍수, 산불 등의 재해관리나 산림, 농작물, 초지 등의 생육상태 및 생태환경에 관한 중요한 정보를 제공받기 위한 것이다[1-4].

참고문헌 (10)

H.-M. Son and H.-K. Park, "Design of a Microwave Radiometer Receiver for Soil Moisture Monitoring," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 2, Feb. 2014, pp. 173-180.

원문보기 상세보기
Y. A. Liou and A. W. England, "A land surface process/radiobrightness model with coupled heat and moisture transport in soil," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 36, no. 1, Jan. 1998, pp. 273-286.

상세보기
E. Hong, "Soil moisture monitoring and recession characteristics analysis in conifer forest," The Korea Society of Agricultural Engineers, vol. 53, no. 4, 2011, pp. 1-9.
T. J. Jackson, D. M. Le Vine, A. J. Griffis, D. C. Goodrich, T. J. Schmugge, C. T. Swift, and P. E. O'Neill, "Soil moisture and rainfall estimation over a semiarid environment with the ESTAR microwave radiometer," IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 31, no. 4, July 1993, pp. 836-841.

상세보기
K. Kim and N. Lee, "Measurement of Soil moisture content Using RF Impedance in the Range of 1 th 30MHz," The Korea Society of Agricultural Engineers, vol. 40, no. 14, 1998, pp. 79-88.
J. Hong and M. J. Lancaster, Microwave Filters for RF/Microwave Applications, New York : John Wiley & Sons, 2001.
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S.-M. Kim and J.-H. Song, "Miniaturized UWB BPF design that is applicable to Ultrafast Wireless Communication Systems," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 5, no. 6, Dec. 2010, pp. 620-624.
Y.-W. Park, "Design and Fabrication of Diplexer using Lumped Elements," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 1, Jan. 2012, pp. 9-14.
M. Makimoto and R. Yanashita, Microwave Resonator and Filters for Wireless Communication, Berlin : Springer, 2001.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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