[논문]주파수 가변 캐비티 대역통과필터의 설계 및 구현

강상기

doi:10.17661/jkiiect.2020.13.6.483

초록
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최근에는 수요자의 다양한 요구를 충족하는 서비스를 제공하기 위해서 여러 개의 무선통신 시스템을 하나로 통합한 무선기기에 대한 수요가 증가하고 있다. 다양한 무선통신 시스템으로 구성된 무선기기에는 많은 주파수 고정형 필터가 필요하다. 주파수 가변 필터는 다수의 주파수 고정형 필터를 대체할 수 있으며, 주파수 가변 필터를 사용하면 시스템을 보다 효율적으로 구성할 수 있다. 본 논문에서는 800 ~ 2400MHz 대역에서 동작하는 3-폴 주파수 가변 대역통과필터(BPF)를 설계하였다. 주파수 가변범위를 넓히기 위해서 튜닝 스크류는 스텝을 갖도록 설계하였고, 튜닝 스크류의 조절을 용이하게 하기 위해서 리니어 모터를 사용하였다. 구현한 주파수 가변 BPF는 설계한 주파수 범위에서 동작하며, 삽입손실은 최대 2.82dB, 중심주파수에서 ± 50MHz 이격된 지점에서 최소 18.7dB의 감쇠 성능을 갖는다.

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In recent years, the demand for wireless devices incorporating several wireless communication systems into one has been increasing in order to provide services that meet the diverse needs of consumers. Wireless devices consisting of various wireless communication systems require many frequency fixed...

In recent years, the demand for wireless devices incorporating several wireless communication systems into one has been increasing in order to provide services that meet the diverse needs of consumers. Wireless devices consisting of various wireless communication systems require many frequency fixed filters. A frequency tunable filter can replace a number of frequency fixed filters in the wireless devices. If a frequency tunable filter is used in wireless systems, the system can be configured more efficiently. In this paper, a 3-pole frequency tunable BPF(bandpass filter) operating in the frequency band of 800 ~ 2400MHz is designed. In order to widen the operating frequency band, a tuning screw is designed to have a step and a linear motor is used to facilitate the adjustment of the tuning screw. The implemented frequency tunable BPF operates in the designed frequency range and has the maximum insertion loss of 2.82dB in the channel band and the minimum attenuation of 18.7dB at ± 50MHz frequency offset from the center frequency of the band.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 어드미턴스 인버터를 이용한 정규화된 BPF Fig. 1. A generalized BPF using admittance inverters
그림 그림 3. 튜닝 스크류의 삽입 길이에 따른 공진주파수 Fig. 3. Resonance frequency according to the depth of the tuning screw
그림 그림 4. 설계한 주파수 가변 BPF의 시뮬레이션 예 Fig. 4. One of simulation results of the designed tunable BPF
그림 그림 2. 튜닝 스크류 모양과 크기 Fig. 2. Shape and dimensions of the tuning screw
표 표 1. 튜닝 스크류의 삽입 길이에 따른 공진주파수 Table 1. Resonance frequency according to the depth of the tuning screw
그림 그림 5. 제어기와 주파수 가변 BPF의 연동 구성도 Fig. 5. Interface diagram between controller and frequency tunable BPF
그림 그림 6. 리니어 모터가 장착된 주파수 가변 BPF Fig. 6. Frequency tunable BPF mounted with linear motor
그림 그림 7. 주파수 가변 BPF 제어기 Fig. 7. Controller for the tunable BPF
표 표 2. 제작된 주파수 가변 BPF의 성능 측정 결과 Table 2. Measurement results of the implemented tunable BPF
그림 그림 8. 제작된 주파수 가변 BPF의 성능 측정 결과 Fig. 8. Measurement results of the implemented tunable BPF

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 800 ~ 2400MHz에서 동작하는 캐비티 형 3-폴 주파수 가변 BPF를 설계 및 구현하였다. 논문에서는 주파수 가변범위를 넓히기 위해서 튜닝 스크류는 스텝을 갖도록 설계하였고, 튜닝 스크류의 조절을 용이하게 하기 위해서 리니어 모터를 사용하였다.
기계적인 주파수 가변 필터는 중심주파수 가변 속도는 느리지만 취급 전력이 수십 W 이상을 수용할 수 있다. 본 논문에서는 취급 전력이 큰 장점이 있고 이동통신 기지국 등에서 사용이 가능한 캐비티(cavity) 주파수 가변 BPF의 설계 및 구현에 대해서 기술한다.
주파수 가변을 위해서 리니어 모터의 구동이 필요하며 본 논문에서는 리니어 모터를 구동하기 위한 제어기를 구현하였다. 구현한 주파수 가변 BPF의 제어기와 주파수 가변 BPF의 연동 구성도는 (그림 5)와 같다.

제안 방법

구현하였다. 논문에서는 주파수 가변범위를 넓히기 위해서 튜닝 스크류는 스텝을 갖도록 설계하였고, 튜닝 스크류의 조절을 용이하게 하기 위해서 리니어 모터를 사용하였다. 구현한 주파수 가변 BPF는 설계한 주파수 범위에서 동작하며, 삽입손실은 최대 2.
(그림 3)에서 알 수 있듯이 공진기의 중심주파수 이동과 튜닝 스크류의 삽입 길이 사이에는 비선형 관계가 있다. 따라서 적절한 제어를 하기 위해서 튜닝 스크류의 삽입에 따른 중심주파수 이동 구간을 14개로 분할해서 근사적으로 선형관계가 되도록 하였고, 각각의 분할된 구간에서 주파수 가변 BPF의 중심주파수에 따른 모터의 제어 값은 다음과 같이 계산된다.
더불어 공진기의 수가 증가하면 제어되는 공진기의 제어 민감도가 증가해서 공진기의 공진주파수를 정확하게 제어하기가 어렵다. 때문에 본 논문에서는 3개의 공진기로 구성된 주파수 가변 BPF를 설계하였다. (그림 4) 는 설계한 주파수 가변 BPF의 성능을 시뮬레이션한 일예이며, 설계한 주파수 가변 BPF가 1.
(그림 5)에 나타내었듯이 주파수 가변 BPF의 중심주파수를 변경하기 위해서 RS-232를 통해서 중심주파수에 대한 정보가 인가되면, 제어기는 중심주파수 정보에 따라서 주파수 가변 BPF의 튜닝 스크류의 삽입 길이를 조절하기 위해서 모터를 제어한다. 본 논문에서 구현한 주파수 가변 BPF의 공진기는 3개 이지만 향후 확장을 고려해서 6개까지 제어할 수 있도록 제어기를 구현하였다. (그림 3)에서 알 수 있듯이 공진기의 중심주파수 이동과 튜닝 스크류의 삽입 길이 사이에는 비선형 관계가 있다.
본 논문의 주파수 가변 BPF는 800 ~ 2400MHz의 동작 주파수 범위를 갖도록 설계하였다. 캐비티 BPF의 중심주파수는 공진기에 삽입되는 튜닝 스크류의 깊이로 조절되며, 주파수 가변 BPF의 중심주파수를 조절하기 하려면 튜닝 스크류의 삽입 길이를 조절할 수 있어야 한다.

대상 데이터

<표 1>은 튜닝 스크류의 삽입 길이에 따라서 공진주파수가 가변됨을 시뮬레이션한 결과를 요약한 것이다. 시뮬레이션을 할 때 공진기의 치수로 공진기의 외경은 12mm, 공진기의 내경 8mm, 공진기의 길이 14mm 그리고 포켓(pocket)의 치수는 포켓의 직경 34.8mm, 포켓의 길이 22mm를 사용하였다. (그림 3) 은 <표 1>의 시뮬레이션 결과를 그림으로 표현한 것이다.

이론/모형

스크류의 삽입 길이를 조절해야 한다. 본 논문에서는 공진기의 튜닝 스크류의 삽입 길이를 조절하기 위해서 리니어(linear) 모터를 사용하였다. 리니어 모터는 회전수에 따라서 중심축이 상하로 움직이는 구조로 되어있기 때문에 모터의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 웜(worm)기어를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.

성능/효과

측정 결과 1.25GHz의 중심주파수에서 삽입손실은 1.68dB로 가장 작고, 중심주파수에서 ±50MHz 이격된 지점에서 감쇠량은 중심주파수가 0.86GHz일 때 34.8dB로 가장 좋다. 일반적으로 주파수 가변 BPF의 삽입 손실은 중심주파수가 낮은 수록 증가하지만, <표 2>의 결과는 중심주파수가 증가하면서 삽입손실이 감소하다가 다시 증가하는 특성을 보인다.

참고문헌 (9)

B. W. Kim and S. W. Yun, "Varactor-tuned combline bandpass filter using step-impedance microstrip lines," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 52, no 4, pp. 1279 - 1283, April 2004.
S.R. Chandler, I.C. Hunter and J.G. Gardiner, "Active varactor tunable bandpass filter," IEEE Microwave and Guided Wave Letters, vol. 3, no 3, pp. 70-71, March 1993.

상세보기
https://polezero.com
A. Anand, J. Small, D. Peroulis, and X. Liu, "Theory and design of octave tunable filters with lumped tuning elements," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 61, no. 12, pp. 4353-4364, Dec. 2013.
Yu, M., Tassini, B., Keats, B., and Wang, Y. ,"High-performance tunable filters based on air-cavity resonators," IEEE Microwave Magazine, vol. 15, no 5, pp. 83-931, 2014.
D. Scarbrough, D. Psychogiou, D. Peroulis and C. Goldsmith,"Low-loss, broadly-tunable cavity filter operating at UHF frequencies," IEEE MTT-S International Microwave Symposium, pp. 1-4, 2015.
S. W. Wong, F. Deng, Y. M. Wu, J. Y. Lin, L. Zhu, Q. X. Chu and Y. Yang, "Individually Frequency Tunable Dual and Triple band Filters in a Single Cavity," IEEE Access, vol. 5, pp. 11615-11625, 2017.

상세보기
Richard J. Cameron, Chandra M. Kudsia and Raafat R. Mansour, Microwave Filters for Communication Systems: Fundamentals, Design, and Applications, Wiley & Sons, 2018.
George L. Matthaei, L. Young and E. M. T. Jones, Microwave Filters, Impedance Matching Networks and Coupling Structures, Artech House, 1980.

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