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TVWS용 주파수가변 대역통과필터의 설계 및 구현
강상기*
Design and Implementation of a Frequency Tunable Bandpass Filter for TVWS
Sanggee Kang*
요 약
TVWS에 대한 관심이 증가하고 있고, TVWS를 이용하는 통신시스템과 서비스에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. TVWS는 사용할 수 있는 주파수가 지역적으로 그리고 시간적으로 다르다. 때문에 TVWS를 이용하는 RF 시스템이 주파수가변 대역통과필터 를 사용하면 시스템을 효과적으로 운용할 수 있다.
본 논문에서는 470 ~ 698MHz에서 동작하는 주파수가변 대역통과필터를 설계 및 구현하였다. 그리고 주파수가변 대역통과필터는 제어의 용이성과 크기를 고려해서 2-pole로 설계하였다. 구현한 주파수가변 대역통과필터는 제어전압을 1.58 ~ 3.93V 가변하면 470
∼ 698MHz에서 동작하며, 삽입손실은 최대 4.78dB, 반사손실은 10dB 이하를 갖는 것으로 측정되었다. 본 논문의 주파수가변 대역통 과필터는 TVWS에서 동작하는 수신기에 직접 사용이 가능하며, 본 논문에서 사용한 주파수가변 대역통과필터의 설계 절차는 대전 력 주파수가변 대역통과필터의 개발을 위한 기초 자료로 활용될 수 있다.
Key Words : Tunable Filter, BPF(Band-Pass Filter), Varactor, LC BPF, Digital Control
ABSTRACT
In these days, interest of systems and services using TVWS(TV White Space) are increased, communication systems and services for TVWS have been actively studied. The unoccupied frequency in TVWS is different according to the geographical location and the time of day. RF systems having a frequency tunable bandpass filter operated in TVWS could be efficiently used.
In this paper, a frequency tunable bandpass filter operated in 470 ~ 698MHz is designed and implemented. In consideration of simple control and physical size, the tunable bandpass filter is designed with 2-pole. The implemented tunable bandpass filter has the operating frequency band of 470 ~ 698MHz with control voltages of 1.58 ~ 3.93V, the insertion loss of maximum 4.78dB and the return loss of below 10dB. The implemented frequency tunable bandpass filter can be directly used in the RF receiver for TVWS and the design procedures could be used for developing a high power tunable bandpass filter as the basic research data.
*군산대학교 정보통신공학과 무선기술연구실([email protected]) 접수일자 : 2016년 12월 5일, 최종게재확정일자 : 2016년 12월 21일
I. 서 론
TVWS를 이용하는 시스템과 서비스에 대한 많은 연구가 진행되었고, 우리나라에서도 2016년 9월에 TVWS에 대한 기술기준이 공시되어, 12월에는 TVWS를 이용하는 서비스 가 실시될 예정이다[1]. TVWS를 이용하는 무선장치는 기존 방송과 무선마이크에 미치는 간섭영향이 없어야 한다. 더불 어 TVWS를 이용하는 무선장치는 기존 방송신호를 효과적 으로 제거해야 원활한 서비스가 가능하다. (그림 1)은 470 ∼
698MHz의 방송대역에서 주파수가 사용되는 일예를 보여준 다. (그림 1)로 부터 방송대역에서 사용되고 있지 않는 주파 수가 존재함을 알 수 있고, 이와 같은 주파수는 지역적으로 그리고 시간적으로 다르다. TVWS는 지역적으로 사용가능 한 주파수들이 한정되어 있기 때문에 지역마다 서로 다른 대 역통과여파기가 필요하다. 따라서 TVWS를 효과적으로 사 용하기 위해서는 RF 전단부에 주파수가변 대역통과여파기 의 사용이 필수적이다. 본 논문에서는 TVWS에 사용가능한 주파수가변 대역통과필터의 설계 및 구현에 대해서 기술한다.
한국위성정보통신학회논문지 제11권 제4호 (K11-4-8)
TVWS용 주파수가변 대역통과필터의 설계 및 구현
45 그림 1. TV대역 주파수 사용의 예
Ⅱ. 주파수가변 대역통과필터의 설계 및 구현
1. 주파수가변 대역통과필터의 설계
저역통과필터를 주파수 변환하면, LC 공진기로 구성된 대 역통과필터를 구현할 수 있다. 실제 대역통과필터를 구현하 는 경우에는 직렬 또는 병렬공진기 만을 사용해서 대역통과 필터를 구현하는 것이 편리할 경우가 많으며, 인버터 (Inverter)는 이러한 목적을 위해서 사용된다. 인버터에는 J- 인버터와 K-인버터가 있으며, 인버터들은 집중소자를 사용 해서 구현할 수 있다. 인버터를 집중소자로 구현하는 경우에 인버터의 음의 값을 갖는 소자는 인접한 집중소자에 흡수된 다. LC 직렬 그리고 병렬공진기로 구성된 대역통과필터에 K-인버터를 적용하면, 직렬공진기로만 구성된 대역통과필 터를 설계할 수 있다. 이렇게 구성된 대역통과필터의 초단과 종단에는 음의 값을 갖는 소자가 존재하게 되는데, 이 음의 값을 갖는 소자는 양의 값을 갖는 소자로 변환할 수 있다. 이 러한 과정을 거친 대역통과필터는 (그림 2)와 같이 유도결합 소자(transformer)와 집중소자로 구성된 대역통과필터와 회 로적으로 등가이며, 대역통과필터에 주파수가변 특성을 부 가하기 위해서 캐패시터를 가변하는 것으로 고려한다면, 캐 패시터를 바랙터(Varactor)로 구현하면 된다. (그림 2)의 대 역통과필터는 2-pole을 갖으며, 논문에서는 바랙터의 제어 용이성과 크기를 고려해서 2-pole 대역통과필터를 설계하고 구현하였다. (그림 2)의 유도결합소자는 T-형 인더턱들로 변환할 수 있으며, (그림 3)은 T-형 인덕터들 중에서 직렬 연결된 인덕터들을 회로의 구현을 고려해서 간략화해서 나 타낸 것이다. (그림 3)과 같은 대역통과필터에 바랙터를 사 용하면, 직렬 캐패시터가 바랙터로 대체되는 것이므로 바랙 터에 공급되는 전원의 경로를 고려한다면 (그림 3)과 같은 구조는 캐패시터 양단에 인덕터 때문에 전원을 공급하기가 어렵다. 바랙터에 전원을 편리하게 공급하기 위해서 (그림 4) 와 같이 두 개의 캐패시터 사이에 Y-형 인덕터들은 ▽-Y 변 환을 이용해서 Π-형 인덕터로 구성함으로써 바랙터에 전원
이 용이하게 공급되도록 구성하였다.
Cr1 Cr2
RA Lp0 Lp1 Lp1 Lp2 Lp2 Lp3 RB
M01 M12 M23
그림 2. 유도결합소자와 집중소자로 구성된 대역통과필터
L0
M01
L1
M12 M23
L2 L3
Cr1 Cr2
RB
RA
(a) 유도결합회로를 T-형 인덕터로 대체한 등가회로
L0
M01 M23
L3
Cr1 Cr2
RA La RB
Lb
Lc
(b) 바랙터에 전원공급을 고려한 대역통과필터의 구조 그림 3. 주파수가변 대역통과필터의 구조
실제 구현에서 (그림 4)의 캐배시터는 서로 마주보는 (Back-to-back) 2개의 바랙터로 구현하였다. (그림 4)의 대 역통과필터의 소자값들은 다음과 같이 결정된다. 우선 (그림 2)의 대역통과필터의 구조에서 입출력 임피던스 , 그 리고 와 관계가 있는 , , , 의 값을 결정한 후, 다음 값들을 계산한다[2].
, (1)
′
(2)
′
(3)
′
(4)
(5)
′
′
(6)여기서는 중심주파수, ′는 차단주파수, 는 비대역폭 (fractional bandwidth), 는 모형(prototype) 저역 통과필터의 값이며, 은 인버터의 값이다. 그리고 와
의 관계는 다음과 같다[2].
(7)
(8)
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(9)
(10)
여기서 은 상호결합(mutual coupling)에 의한 상호인 덕턴스이며, 다음과 같이 계산된다[2].
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
마지막으로 (그림 3)의 (a)의 인덕턴스는 다음과 같이 계 산된다. 그리고 (그림 3)의 (b)의 , , 는 (그림 3)의 (a) 에서 Y-▽ 변환을 이용해서 계산한다.
(16)
(17)
(18)
(19)
2. 주파수가변 대역통과필터의 시뮬레이션 및 구현 (그림 4)에는 설계한 주파수가변 대역통과필터의 성능 시 뮬레이션을 위한 회로도를 나타내었다. (그림 4)에서
, , , ,
, 그리고 이다. (그림 4) 에서 볼 수 있듯이 구현에 필요한 인덕터의 값이 없는 경우 에는 인덕터를 직/병렬해서 유사한 값을 갖도록 구성하였고, 바이어스 경로에 첨가된 캐패시터는 동작주파수(470 ∼ 698MHz)의 상위 주파수에 감쇠극을 추가하는 용도로 첨가 하였다. 설계한 주파수가변 대역통과필터의 성능 시뮬레이 션 결과는 (그림 5)와 같다. 성능 시뮬레이션 결과 삽입손실 은 최대 4.3dB 그리고 반사손실(return loss)은 최소 7dB 였 으며, (그림 5)는 설계한 대역통과필터가 470 ∼ 698MHz에 서 주파수가변 됨을 보여준다.
그림 4. 주파수가변 대역통과필터의 시뮬레이션 회로
그림 5. 설계한 주파수가변 대역통과필터의 시뮬레이션 결과
(그림 6)은 주파수가변 대역통과필터의 연동도(interface diagram)이다. 주파수가변 대역통과필터는 표면실장형 (SMD type)으로 설계되었으며, 외부에서 RS-232로 중심주 파수를 가변할 수 있도록 대역통과필터 내부에 MCU와 DAC를 갖는 것으로 설계하였다. MCU는 ISP(In System Programming)를 통해서 프로그래밍 된다. 표면실장형으로 대역통과필터가 설계되었기 때문에 필터의 성능 실험을 위 한 별도의 시험보드(Test Jig)가 필요하다. (그림 6)에는 시 험보드와 주파수가변 대역통과필터 사이의 연동 신호도 함 께 표시되어 있다. 주파수가변 대역통과필터는 외부에서 시 험보드를 통해서 RS-232로 제어할 수도 있고, 다른 MCU로 부터 SPI(Serial Parallel INterface)로도 제어할 수 있다. 제 작한 주파수가변 대역통과필터의 성능 측정 결과는 (그림 8)
∼ (그림 9)에 나타내었다. 성능 측정 결과 바랙터의 제어전 압이 1.58V일 때 중심주파수는 470MHz가 되며, 이때 삽입 손실은 4.78dB이고, 반사손실은 약 17dB 였다. 그리고 제어 전압 2.75V일 때, 중심주파수는 584MHz이며, 이때 삽입손실 은 4.25dB이고, 반사손실은 약 15dB 였다. 제어전압이 3.93V 인 경우에 중심주파수는 698MHz이며, 이때 삽입손실은 4.36dB이고, 반사손실은 약 10dB 였다. 시험보드 위에 실장 된 주파수가변 대역통과여파기의 사진은 (그림 10)과 같다.
Regulator MCU
(Slave) DAC
filter RS-232
SPI
RF_IN
RF_OUT V_IN
SMD Tunable filter
Tunable filter Jig
RS-232 MCU
(Master) ISP
Jig_Vol
ISP
Jig_V_IN
RS-232
Level Translator Level
Translator
Level Translator
그림 6. 주파수가변 대역통과필터의 입출력 연동도
TVWS용 주파수가변 대역통과필터의 설계 및 구현
47 그림 7. 주파수가변 대역통과필터의 성능측정결과(@470MHz)
그림 8. 주파수가변 대역통과필터의 성능측정결과(@584MHz)
그림 9. 주파수가변 대역통과필터의 성능측정결과(@698MHz)
그림 10. 주파수가변 대역통과필터를 시험보드에 실장한 사진
Ⅲ. 결 론
논문에서는 TVWS에서 동작하는 주파수가변 대역통과필 터를 설계 및 구현하였다. 설계한 주파수가변 대역통과필터 는 기본적으로 2개의 감쇠극을 가지며, TV대역인 470 ∼ 698MHz에서 동작한다. 제작한 주파수가변 대역통과필터는 제어전압이 1.58 ∼ 3.93V 일 때 479 ∼ 698MHz에서 동작하 며, 삽입손실은 최대 4.78dB, 반사손실은 10dB 이하로 측정 되었다. 본 논문의 주파수가변 대역통과필터는 TVWS에서 동작하는 수신기에 직접 사용이 가능하며, 본 논문에서 사용 한 주파수가변 대역통과필터의 설계 절차는 대전력 주파수 가변 대역통과필터의 개발을 위한 기초 자료로 활용할 수 있다.
참 고 문 헌
[1] 미래창조과학부 공고 제2016-0435호, 신고하지 아니하고 개설 할 수 있는 무선국용 무선설비 기술기준, 2016. 9. 22.
[2] G. L. Matthaei, L. Young, and E. M. T. Jones,Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures, Norwood, MA. Artech House, 1980
[3] JRichard Chi-Hsi Li, Tunable Filter Having Capacitive Coupled Tuning Elements, U.S. Patent 5392011, 1992.
[4] Q. Xiang, and Q. Feng,“Electrical Tunable Microstrip LC Bandpass Filters With Constant Bandwidth,”IEEE Trans.
Microwave Theory & Tech., vol. 61, no. 3, pp. 1124-1130, Mar. 2013.
[5] M. Koochakzadeh, and A. Abbaspour-Tamijanit, “Switchable Bandpass Filter for 0.3-0.6 GHz,” IEEE MTT-S Int.
Microwave Symp. Dig., pp. 557-560, June 2007.
[6] M. Koochakzadeh, and A. Abbaspour-Tamijanit, “Design of a High Power Digital Tunable Filter,” IEEE Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), pp. 496-498, May 2010.
저자
강 상 기(Sanggee Kang)
․1988년 : 단국대학교 전자공학과(공학 사)
․1989년 : 삼성반도체통신
․1989 ∼ 1992 : 해군통신장교
․1994년 : 단국대학교 전자공학과 (공학 석사)
․2004년 : 충남대학교 전파공학과(공학박사)
․1994 ∼ 2005 : 한국전자통신연구원 선임연구원
․2006 ∼ 2008 : 한국전자통신연구원 초빙연구원
․2005 ∼ 현재 : 군산대학교 정보통신공학과 교수
<관심분야> : RF, M/W 부품 및 시스템
