High Power Cavity Type Tunable Filter Using Switch for 1.5 GHz Band

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ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

Switch 를 이용한 1.5 GHz 대역 고출력 Cavity 기반 Tunable Filter High Power Cavity Type Tunable Filter Using Switch for 1.5 GHz Band

안세훈 ․이민호․박종철․정계택

Sehoon Ahn ․Minho Lee․Jongcheol Park․Gyetaek Jeong

요 약

본 논문에서는 기계식 스위치를 이용한 1.5 GHz 대역 고출력 Cavity 기반 튜너블 필터를 설계하고 제작하였다. 불요파 를 제거하기 위해 저역통과필터를 삽입하고, 출력을 추출하기 위해 Coupler를 내장하였으며, 고출력에 적합한 기계식 스위치를 사용하여 튜너블 필터의 시스템을 구성하였다. 저역통과필터는 4～12.75 GHz까지 40 dB 이상의 감쇄 특성을 얻었고, Coupler는 40 dB의 Coupling Value와 55 dB 이상의 Coupling Isolation을 얻었다. 제작된 기계식 스위치를 사용한 튜너블 필터 시스템은 1,495.9～1,510.9 MHz Bypass Mode에서 0.88 dB, 1,495.9～1,500.9 MHz Fil Mode에서 3.29 dB의 삽입손실 특성 및 중심주파수 1,498.4 MHz에서 132 W의 출력전력과 10 ms 이하의 스위칭 절환속도를 얻었다.

Abstract

In this paper, the tunable filter based on high power cavity using mechanical switch for 1.5 GHz band is presented. The LPF is inserted to eliminate the spurious wave, coupler is embeded to extract the output power, and then the tunable filter system is configured using mechanical switch. The LPF obtains attenuation over 40 dB between 4 GHz and 12.75 GHz, Coupler is satisfied with coupling value 40 dB and coupling isolation over 55 dB. The tunable filter system using mechanical switch obtains insertion loss 0.88 dB at bypass mode between 1,495.9 MHz and 1,510. 9 MHz, 3.29 dB at fil mode between 1,495.9 MHz and 1,500.9 MHz. It is also satisfied with output power of 132 W at the center frequency 1,498.4 MHz, and switching time below 10 ms.

Key words: Bandpass Filter, Low Pass Filter, Coupler, Tunable Filter, High Power Filter, Mechanical Switch



「본 연구는 산업통상자원부 우수기술연구센터(ATC) 사업의 연구비 지원으로 수행되었습니다(10048475).」

(주)웨이브텍연구소(Department of R&D Center, Wave-Tech Corp.)

․Manuscript received July 9, 2015 ; Revised November 9, 2015 ; Accepted November 20, 2015. (ID No. 20150709-09S)

․Corresponding Author: Sehoon Ahn (e-mail: [email protected])

Ⅰ. 서 론

최근 무선통신 기지국 시스템은 멀티밴드 및 소형화를 추구하며, 동시에 고출력을 요구하고 있다. 또한, 여러 대 역을 한 시스템으로 구현하기 위해서는 다수의 대역통과 필터가 내장되어야 한다^[1]. 무선통신 기지국 시스템에서 는 고출력을 요구하므로 대역통과필터 자체를 소형화 하 기에는 어려움이 따른다. 이 어려움을 극복하고 현재 무

선통신 기지국 시스템의 요구사항을 충족시키기 위해 하 나의 필터를 구현하여 대역을 가변하며 사용하는 주파수 가변필터에 대한 연구가 이루어졌다^[2].

현재 1.5 GHz 대역은 일본을 중심으로 여러 나라에서 LTE(Long Term Evolution) 대역으로 사용하고 있다. 일본 은 1.5 GHz 대역이 국제적 대역이라는 점과 향후 데이터 통화량이 현재의 4배에 이를 것으로 예상됨에 따라, 시스 템의 고속화 및 서비스 고도화를 위해 1.5 GHz 대역을 이

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형 도파관 형태의 Cavity 필터는 손실이 적고, 대역폭이 작은 대역통과필터에 적합하며, 다른 필터에 비하여 손실 이 작아 고출력으로 송신할 수 있는 장점 때문에 이동통 신용 필터로 많이 사용되고 있다^[4].

주파수 가변필터를 위해 연구되었던 소자로는 광전자 스위치, 버랙터 다이오드, MEMS 캐패시터 등이 있다. 그 런데 광전자 스위치의 경우 수명이 짧고, 효율이 낮아지 는 단점을 가지고 있으며, 버랙터 다이오드는 동작전압이 높고, 낮은 캐패시턴스 성분을 갖기 어려우며, 공정이 복 잡하고 비용이 많이 드는 단점이 있다. MEMS 캐패시터 는 다른 스위치나 가변 캐패시터 소자에 비해 손실, 기생 성분, 선형성 등에서 우수한 장점이 있으나, 동작 속도, 고출력, 패키징 등에서 좋은 성능을 구현하기 어려워 고 출력 시스템을 고려한 대역통과필터에 적용하기에 한계 가 있다^[5],[6].

본 논문에서는 솔레노이드 코일을 이용한 전자석 구조 기반의 SPDT(Sing Pole Double Throw) 구조의 고출력, 높 은 격리도, 낮은 삽입손실, 고속 스위칭, PIMD 등의 이점

[7]을 가진 RF 스위치를 이용하여 2개의 대역통과필터를 선택하고, 높은 Q 특성을 갖고 고출력에 유리한 Cavity 형태로 공진기를 구현하여 삽입손실 및 감쇄규격이 우수 한 필터를 설계하고자 한다.

Ⅱ. 필터 설계

본 논문에서 제안하는 고출력 Cavity 기반 튜너블 필터 의 Block Diagram은 그림 1과 같으며, 고출력이기 때문에 기계식 구조의 스위치를 사용하여 가변한다. 불요파를 제 거하기 위해 저역통과필터를 삽입하고, 튜너블 필터의 출 력을 추출하기 위해 Coupler를 설계하여 내장한다. 설계 목표사양은 실제 무선통신시스템에서의 규격인 표 1과 같으며, 표 1에 나타난 설계 사양을 만족시키기 위해 Ge- nesys Circuit Simulation Tool을 사용하였다.

그림 1. 블록도 Fig. 1. Block diagram.

표 1. 고출력 cavity 기반 튜너블 필터 목표사양

Table 1. Target specifications of cavity based on high-power tunable filter.

항목 TX Bypass 경로 TX Fil 경로 1 통과대역 1,495.9～1,510.9 MHz 1,495.9～1,500.9 MHz 2 삽입손실 1.1 dB max 5.0 dB max

3 대역내

진폭편차 0.25 dB max 2.2 dB max

2-1 저역통과필터 설계(LPF : Low Pass Filter)

저역통과필터는 차단주파수 이하의 주파수만 통과시 키고 그 이상의 주파수는 감쇄시키는 동작을 수행하는 수동소자로서, 일반적으로 하모닉 성분이나 불요파 응답 을 제거시키기 위해 사용된다^[8]. Cavity의 구조적 크기와 전기적 파장의 관계에서 발생하는 하모닉 성분은 채널 간 간섭(Channel Interference)이 발생되어 통신의 문제를 일으킬 수 있다. 원활한 통신을 위해서 고출력 시 발생하 는 하모닉 성분은 제거되어야 한다.

본 논문에서는 삽입손실 및 고출력에 유리하며, 감쇄 특성이 우수한 체비세프 방식의 SIR(Stepped Impedance) 구조를 이용하여 하모닉 성분을 제거하고자 한다.

SI 구조를 갖는 저역통과필터의 설계에 앞서 그림 2와 같이 집중 소자를 이용한 저역통과필터를 설계하였다.

References [5]에 의하면 짧은 길이(^{≪ })의 선로에서

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Frequency [GHz]

0 2 4 6 8 10 12 14

S parameters [dB]

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0

S21 S11

그림 2. 저역통과필터의 등가 회로 Fig. 2. Equivalent circuit of low pass filter.

그림 3. SI 구조의 저역통과 필터 Fig. 3. Low pass filter of SI structure.

매우 높은 임피던스(^)를 갖는 선로는 Series L로, 매우 낮은 임피던스()을 갖는 선로는 Shunt C로 근사적 등가 가 가능하다. 이에 따라 그림 3과 같이 임의의 최대-최저 SI 구조를 갖는 저역통과필터로 구현할 수 있다. 이때 최 대 임피던스^와 최저 임피던스 은 선로의 폭과 길이 를 고려하여 실제로 구현이 가능한 값으로 취해야 한다.

또한, T-등가 회로와 ABCD 및 Z 파라미터를 이용하여 식 (1), (2)와 같이 각 선로의 전기적 길이^를 구할 수 있 다. ^와 ^은 각각 최대-최저 임피던스를 갖는 선로의 전기적 길이를 나타낸다.

_ tan^{ }



^^^

__



(1)

_ sin^{ }



^^

__



(2)

그림 4는 4～12.75 GHz까지 하모닉 및 불요파를 제거 하기 위한 저역통과필터의 EM Simulation 설계도이며, 그 림 5는 저역통과필터의 EM Simulation 결과이다. EM Simulation Tool은 CST MWS를 사용하였다. 4～12.75 GHz 사이의 S²¹특성이 40 dB 이상이므로 고출력 Cavity 기반 튜너블 필터의 하모닉 및 불요파를 제거할 수 있을 것으로 판단된다.

그림 4. 저역통과필터 설계도 Fig. 4. Low pass filter design.

그림 5. 저역통과필터 S-parameter EM 시물레이션 결과 Fig. 5. S-parameter EM simulation of low pass filter.

2-2 Coupler 설계

Coupler는 필터의 출력 전력을 추출하기 위해 사용되 는데, 하나의 입력포트(input)와 입력이 그대로 통과되는 통과포트(through), 그리고 그렇게 통과되는 전력의 일부 를 추출하는 포트(coupled out)의 3개 Port로 구성되어 있다.

본 논문에서 제안하는 고출력 Cavity 기반 튜너블 필터 의 출력 전력을 모니터링하기 위한 Coupler의 EM 설계도 를 그림 6에 나타내었다. 비 유전율 3.0, 기판 두께 0.8 mm, 도체 두께 0.035 mm, loss tangent 0.009의 Teflon 기판 을 사용하여 전력을 추출하면서 원래 흐르던 신호의 파 형은 그대로 유지된 상태로 추출할 수 있게 Microstrip 구 조의 40 dB coupler를 설계하였으며, loss tangent에 의한 튜너블 필터의 삽입손실 증가를 최소화하기 위하여 통과 포트는 Air Type으로 설계하였다.

그림 7은 Coupler의 EM Simulation 결과이다. Coupler의

(4)

그림 6. Coupler 설계도 Fig. 6. Coupler design.

Frequency [GHz]

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2

S parameters [dB]

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

S21 S11 S31 S32 S33

그림 7. Coupler S-parameter EM 시물레이션 결과 Fig. 7. S-parameter EM simulation of coupler.

삽입손실 및 반사계수 결과로 필터 특성에 거의 영향을 미치지 않으며, 40 dB의 Coupling Value와 55 dB 이상의 Coupling Isolation을 얻어 원활한 모니터링이 가능할 것으 로 판단된다.

2-3 대역통과필터 설계

RF 고출력 특성을 얻고 삽입손실을 줄이기 위해 Ca- vity 형태의 원통형 공진기 구조를 사용하였다.

인덕터는 주파수가 낮을수록 통과를 잘 시켜주는 특성 이 있고, 캐패시터는 정반대로 주파수가 높을수록 잘 통 과시킨다. 이러한 두 특성의 소자가 한꺼번에 직,병렬로 결합하면 같은 주파수에서 인덕터는 통과하지 못하도록, 캐패시터는 잘 통과할 수 있도록 하게 된다. 따라서 인덕 터와 캐패시터는 특정 주파수에서의 통과 특성이 결정되 는 중요한 요소이다^[9].

하여 허수 임피던스가 가장 낮아지는 지점이 공진점으로 나타나게 된다. 즉, 이중에서 허수 임피던스가 0이 되어 없어지는 주파수가 공진주파수이다.

 _{ }



  _{ }



  

(4)

이 식을 역순하여 주파수를 구하면 다음과 같은 공진 주파수가 정해진다.

  ^



(5)

직, 병렬로 조합된 LC 회로에서 인덕터와 용량이 전기 장과 자기장으로 에너지를 축적하고 방출하면서 에너지 를 주고 받는 과정이 정확하게 평형을 이룬 상태를 공진 이라 한다. L과 C가 곱해진 수치에 따라 공진주파수는 결 정되며, L과 C의 조합으로 어떤 주파수에서 공진특성이 발생하게 되며, 결국에는 LC 직렬공진은 대역통과 형태 의 공진이 발생하게 되고, LC의 병렬공진은 대역저지 형 태의 공진이 발생하게 된다.

Cavity 형태의 원통형 공진기 구조는^ 동축선의 양 단을 Open, Short로 처리하여 L, C공진 분포정수회로를 구성한 것으로 높은 Q값과 고출력에 가장 적합하며, 그 림 8에 Cavity 원통형 공진기의 등가회로를 나타내었다.

삽입손실과 감쇄특성 규격을 만족시키기 위해 RX 단 은 7단 공진기와 2개의 Notch를 사용하고, TX Bypass

그림 8. Cavity 원통형 공진기의 등가회로

Fig. 8. Equivalent circuit of cavity cylindrical resonator.

(5)

그림 9. Bypass mode 시물레이션 결과 Fig. 9. Bypass mode simulation.

Frequency [MHz]

1400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580

S parameters [dB]

-200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0

TX S21 RX S21 Col 1 vs Col 4

그림 10. Fil mode 시물레이션 결과 Fig. 10. Fil mode simulation.

mode단은 6단 공진기와 2개의 Notch 및 1개의 Pole Not- ch를 사용하며, TX Fil mode단은 4단 공진기와 2개의 Notch를 사용하였다.

그림 9～10은 S-parameter 특성 곡선이며, 스위치의 삽 입손실을 반영하기 위하여 TX Fil mode의 입, 출력단에 0.08 dB의 삽입손실을 갖는 스위치를 추가하여 Circuit Si- mulation 하였다.

Ⅲ. 필터의 제작 및 측정 결과

본 절에서는 설계된 주파수 가변필터를 제작하여 성능 을 평가하였다. 대역통과필터 설계는 통과대역을 1,495.9

～1,510.9 MHz 및 1,495.9～1,500.9 MHz로 하였다. 그림 11은 실제 제작한 고출력 Cavity 기반 튜너블 필터이며, 삽입손실 특성 향상을 위해 Body 및 공진기는 표피효과 를 적용하여 은도금을 실시하였다.

(a) 필터 상면 (b) 제어부 (a) Filter top (b) Controller 그림 11. 제작된 주파수 가변필터

Fig. 11. Fabricated frequency tunable filter.

그림 11(a)에는 원통형 공진기와 TX Bypass와 TX Fil의 중간에 스위치가 연결되어 있다. 그리고 그림 11(b)는 제

Frequency [MHz]

1485 1490 1495 1500 1505 1510 1515 1520

S parameters

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

S21 S11

S22

(a) TX Bypass mode 삽입손실 (a) TX Bypass mode insertion loss

Frequency [MHz]

1490 1492 1494 1496 1498 1500 1502 1504 1506 1508

S parameters

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

S21 S11 S22

(b) TX Fil mode 삽입손실 (b) TX Fil mode insertion loss 그림 12. 측정된 삽입손실

Fig. 12. Measured insertion loss.

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그림 13. 고출력 cavity 기반 튜너블 필터의 출력 전력 Fig. 13. Output power of cavity based on high-power tu-

nable filter.

어보드를 나타내고 있으며, 제어보드에 절환전압 5 V를 인가하면 스위칭되도록 하여 원하는 주파수로 가변되도 록 하였다.

그림 12는 제작된 고출력 Cavity 기반 튜너블 필터의 삽입손실을 측정한 결과이다. 측정 결과, TX Bypass mode 에서 0.88 dB, TX Fil mode에서 3.29 dB를 나타내고 있으 며, TX Bypass mode는 시물레이션 결과와 유사한 것을 확인할 수 있다. TX Fil mode의 측정결과와 시물레이션 결과에서의 차이는 근접대역의 감쇄규격에 따른 차이라 고 볼 수 있다.

그림 13은 필터를 통과한 신호 전력의 출력을 측정한 결과를 나타내고 있으며, TX Fil mode의 중심 주파수 1,498.4 MHz에서 132 W(51.2 dBm)의 RF 전력이 출력됨 을 알 수 있다.

그림 14는 주파수 가변을 위한 스위치의 절환속도를

그림 14. 스위칭 속도 : 6 ms Fig. 14. Switching speed : 6 ms.

노이드 코일을 이용한 전자석 구조의 스위치를 이용하여 주파수 가변필터를 설계하였다. 스위치의 선택을 이용하 여 Bypass mode시 15 MHz 대역을, Fil mode시 5 MHz 대 역으로 구성된 필터의 특성을 선택할 수 있도록 하였으 며, 저 손실, 고 감쇄 스위칭이 가능한 고출력 Cavity 기반 튜너블 필터를 설계하였다. 하모닉 및 불요파를 제거하기 위해 저역통과필터를 삽입하고, 출력을 추출하기 위해 Coupler를 내장하였으며, 고출력 및 PIMD에 적합한 기계 식 스위치를 사용하여 튜너블 필터의 시스템을 구성하 였다. 제작된 기계식 스위치를 사용한 튜너블 필터 시스 템은 1,495.9～1,510.9 MHz Bypass Mode에서 0.88 dB, 1,495.9～1,500.9 MHz Fil Mode에서 3.29 dB의 삽입손실 특성을 얻었고, 중심주파수 1,498.4 MHz에서 132 W의 출 력전력과 10 ms 이하의 스위칭 속도를 얻었다. 본 연구를 통해 개발된 필터는 멀티밴드 및 소형화를 추구하는 현 재 무선통신 기지국 시스템에 적용 가능할 것으로 판단 된다.

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Control 신호 : 24 V

Indcator 신호의 절환 속도 : 6 ms

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26, 1998년 5월.

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안 세 훈

2000년 2월: 순천향대학교 전자공학과 (공 학사)

2000년～2004년: (주) 텔웨이브 기술연구 소 전임연구원

2004년 11월～현재: (주) 웨이브텍 기술연 구소 수석연구원

2014년 8월～현재: 경남대학교 첨단공학 과 석사과정

[주 관심분야] RF, 초고주파 회로설계, Tunable Filter

이 민 호

2009년～2011년: (주)웨이브일렉트로닉스 기술연구소 책임연구원

2011년 10월～현재: (주) 웨이브텍 기술연 구소 수석연구원

[주 관심분야] RF, Cavity Filter, EM Si- mulation, Tunable Filter

박 종 철