KR100687421B1 - 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치 및 그 방법과그에 의해 튜닝된 필터 - Google Patents

반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치 및 그 방법과그에 의해 튜닝된 필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치 및 그 방법과 그에 의해 튜닝된 필터에 관한 것으로, 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하고, 네트워크 분석기가 출력하는 튜닝하고자 하는 필터의 위상을 이용하여, 상기에서 추출한 반사파의 위상 데이터와 동일한 위상값을 가지도록 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트를 튜닝할 수 있다. 본 발명에 따르면, 필터 튜닝에 소요되는 인적, 물적 및 시간적인 자원을 최소화할 수 있다.
필터, RF, 반사파, 위상, 튜닝, 튜닝볼트, 공진기, 결합량

Description

반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치 및 그 방법과 그에 의해 튜닝된 필터{APPARATUS FOR FILTER TUNING BY USING PHASE OF REFLECTED WAVE, METHOD THEREOF AND FILTER TUNEED BY IT}
도 1은 일반적인 RF 필터의 사시도,
도 2는 상기 도 1의 분해 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치의 일실시예 구조도,
도 4a 내지 도 4c는 상기 도 3의 제어부가 추출한 샘플 파형의 일예,
도 5는 본 발명에 따른 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도,
도 6은 본 발명에 따라 튜닝한 필터의 파형을 로그 매그니튜드 윈도우에서 출력한 것.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
310 : 제어부 320 : 네트워크 분석기
330 : 튜닝부
본 발명은 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치 및 그 방법과 그에 의해 튜닝된 필터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방송 통신, 이동 통신, 위성 통신, 기타 유/무선 시스템에서 사용하는 알에프(radio frequency; 이하, 간단히 'RF'라 함) 필터의 제작 공정에 적용하기 위한, 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치 및 그 방법과 그에 의해 제작된 필터에 관한 것이다.
일반적으로, RF 필터는 도체로 둘러싸인 금속성 원통 또는 직육면체의 캐비티(cavity)을 형성하며, 그 내부에서 유전체 공진기(dielectric resonator) 또는 금속 봉을 구비시켜, 고유 주파수의 전자기장만이 존재하게 함으로써, 초고주파의 공진이 가능하게 하는 구조를 가진다. 이러한 RF 필터는 삽입손실이 적고 고출력에 유리하기 때문에 이동 통신 기지국 및 중계기, 방송 통신용 중계기, 위성 통신 시스템 등 거의 모든 송수신 통신 장비에 적용되고 있다.
도 1은 일반적인 RF 필터의 사시도이며, 도 2는 상기 도 1의 분해 사시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 RF 필터는, 하우징의 측면에 입출력 포트(110, 120)가 설치되고, 그 내부는 격막에 의해 다수의 수용공간으로 분할되며, 각 수용공간에는 원하는 주파수를 공진시켜 통과시키기 위한 공진기(210)가 배치된 다.
하우징의 상부에는 공진기(210)의 상부에 공진기 주파수 튜닝볼트(131~138)가 배치되며, 이 공진기 주파수 튜닝볼트 사이에 직접 결합량을 조절하기 위한 직접 결합량 튜닝볼트(141~147)와, 간접 결합량을 조절하기 위한 간접 결합량 튜닝볼트(150)가 배치된다.
이와 같은 필터는, 상기 튜닝볼트(131~138, 141~147, 150)를 조절함으로써 튜닝작업을 수행하게 된다.
즉, 해당 RF 필터의 주파수 영역에서의 반사파(S11) 및 전송파(S21)의 크기를 네트워크 분석기를 통해 확인하면서 다수의 튜닝볼트를 조이거나 푸는 반복적인 튜닝으로 필터를 제작하였다.
그러므로, 상기와 같은 방법은 작업자의 직감에 의존하게 되므로, 작업자에게 많은 경험을 요구하게 되는 문제점이 있으며, 작업이 일률적이지 않고, 작업시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국 공개특허 제2005-96709호(알에프 필터 자동 튜닝 시스템 및 그 방법)이 개시되어 있다.
상기 공개특허는, 네트워크 분석기의 시간 영역에서 각 공진기의 공진 주파수 및 상호 결합량을 측정하여 튜닝하는 것이다.
그러나, 필터의 각 튜닝볼트는 독립적으로 튜닝되지 않으며, 다음 공진기 주파수 튜닝볼트나 결합량 튜닝볼트와 상호 연관되어 튜닝된다. 그러므로 동일 튜닝볼트에 복수의 튜닝이 필연적으로 요구되어, 이 결과 1차, 2차 및 최종 튜닝 등 여 러번의 반복적인 튜닝 절차를 요구하게 되는 문제점이 있다.
또한, 상기 공개특허는, 입력 또는 출력 포트 중 어느 하나만을 이용하여 측정하는 경우, 반사파의 지연 시간 측정에서 오차가 발생하여 튜닝 오차를 유발하는 문제점이 있으며, 또한 튜닝에 있어 상당한 시간이 소요되는 등의 문제점이 있어, 입출력 포트를 모두 사용해야 하는 제약이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 주파수 영역(frequency domain)에서의 반사파의 위상을 분석하여, 해당 위상 데이터와 동일한 위상값을 가지도록 튜닝함으로써, 정량적인 방법으로 필터 튜닝을 수행하기 위한, 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치 및 그 방법과 그에 의해 튜닝된 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 다수의 공진기와, 다수의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 다수의 결합량 튜닝볼트를 구비하는 필터를 튜닝하기 위한, 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치에 있어서, 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하기 위한 제어부; 튜닝하고자 하는 필터의 주파수 영역에서의 반사파의 위상을 분석하여 출력하기 위한 네트워크 분석기; 및 상 기 제어부의 제어에 따라, 튜닝하고자 하는 필터의 다수의 튜닝볼트를 조절하기 위한 튜닝부를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 네트워크 분석기가 출력하는 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터와 미리 추출한 위상 데이터를 비교하여, 양자가 동일한 위상값을 가지도록 상기 튜닝부를 제어하는 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치가 제공된다.
여기서, 상기 제어부는, 설계된 필터의 등가 모델링을 통해, 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출할 수 있으며, 프로토타입 샘플을 통해, 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출할 수도 있다.
상기 네트워크 분석기는, 튜닝하고자 하는 필터의 하나의 포트를 이용하여 파형을 분석할 수 있으며, 튜닝하고자 하는 필터의 하나를 초과하는 포트를 이용하여 파형을 분석할 수도 있다.
또한, 튜닝하고자 하는 필터의 상기 다수의 공진기는, 오픈 상태일 수 있으며, 쇼트 상태일 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 네트워크 분석기를 구비하는 시스템에서, 다수의 공진기와, 다수의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 다수의 결합량 튜닝볼트를 구비하는 필터를 튜닝하기 위한, 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 방법에 있어서, 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반 사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하는 단계; 및 네트워크 분석기가 출력하는 튜닝하고자 하는 필터의 위상을 이용하여, 상기에서 추출한 반사파의 위상 데이터와 동일한 위상값을 가지도록 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트를 튜닝하는 단계를 포함하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 방법이 제공된다.
여기서, 상기 위상 데이터를 분석하여 추출하는 단계는, 설계된 필터의 등가 모델링을 통해, 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하는 것일 수 있으며, 프로토타입 샘플을 통해, 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하는 것일 수도 있다.
상기 네트워크 분석기는, 튜닝하고자 하는 필터의 하나의 포트를 이용하여 파형을 분석할 수 있으며, 튜닝하고자 하는 필터의 하나를 초과하는 포트를 이용하여 파형을 분석할 수도 있다. 튜닝하고자 하는 필터의 상기 다수의 공진기는, 오픈 상태일 수 있으며, 쇼트 상태일 수도 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기와 같은 방법에 의해 튜닝된 필터가 제공된다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
상기 도 1과 같은 필터의 경우, 입력된 신호가 각 공진기 및 각 결합 구조를 따라 전파되면서 고유한 크기와 위상을 가진다. 이러한 고유 파라미터 중, 본 발명은 위상 특성을 이용하여 각각의 공진기의 공진 주파수 및 각 공진기의 결합량을 튜닝하는 것으로 한다.
일반적으로, RF 소자에서는, λ/4 지점에서 쇼트(short)될 경우 입사된 신호는 전반사되며, 반사된 신호는 고유한 위상값을 갖는다. 따라서, 통신에 사용되는 필터의 경우 각 공진기와 공진기 사이의 결합 구조는 λ/4 길이의 결합 구조이다. 이는 반사파의 위상 특성을 이용하여 필터 튜닝하기에 적합하다.
도 3은 본 발명에 따른 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치의 일실시예 구조도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 시스템은, 제어부(310), 네트워크 분석기(320) 및 튜닝부(330)로 구성된다.
상기 제어부(310)는 먼저 설계된 필터의 등가 모델링 또는 시뮬레이션을 통해 각 공진기 주파수 튜닝볼트(131~138) 및 결합량 튜닝볼트(141~147, 150)와 관련된 튜닝 파라미터, 즉 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하거나, 또는 제작된 프로토타입 샘플(prototype sample)(즉, 골든 샘플(golden sample))의 각 공진기 주파수 튜닝볼트(131~138) 및 결합량 튜닝볼트(141~147, 150)와 관련된 튜닝 파라미터, 즉 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하는 기능을 담당한다.
도 4a 내지 도 4c는 상기 도 3의 제어부가 추출한 샘플 파형의 일예로서, 도 4a는 주파수 영역의 로그 매그니튜드(log mag) 윈도우(window)의 파형을 출력한 것이고, 도 4b는 위상(phase) 윈도우의 위상값을 출력한 것이며, 도 4c는 폴라(polar) 윈도우의 파형을 출력한 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 도 4a의 형태의 파형은, 도 4b 및 도 4c에서 반사파의 위상이 정확하게 측정됨을 알 수 있다.
또한, 상기 네트워크 분석기(320)가 출력하는 튜닝하고자 하는 필터(340)의 주파수 영역에서의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터와 미리 추출한 위상 데이터를 비교하여, 양자가 동일한 위상값을 가지도록 튜닝하고자 하는 필터의 튜닝볼트를 튜닝하는 기능을 담당한다.
상기 네트워크 분석기(320)는 튜닝하고자 하는 필터(340)의 주파수 영역에서의 파형을 분석하여 출력하는 기능을 담당한다.
상기 튜닝부(330)는 상기 제어부(310)의 제어에 따라, 튜닝하고자 하는 필터(340)의 튜닝볼트를 조절하는 기능을 담당한다.
이와 같은 본 발명의 튜닝 장치의 동작을 도 5를 참조로 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법은, 먼저 상기 제어부(310)가 설계된 필터의 등가 모델링이나 제작된 프로토타입(골든 샘플)을 이용하여 각 공진기 및 결합 구조와 관련된 튜닝 파라미터를 분석 추출한다(S501). 본 발명의 경우 반사파의 위상값이 바람직하다.
다음, 튜닝하고자 하는 필터(340)를 상기 네트워크 분석기(320)를 이용하여 위상을 분석하고, 상기 S501 단계에서 추출한 각 공진기 주파수 튜닝볼트(131~138) 및 결합량 튜닝볼트(141~147, 150)의 위상 데이터와 동일한 위상값을 갖도록 상기 제어부(310)의 제어에 따라 상기 튜닝부(330)가 공진기 주파수 튜닝볼트(131~138) 및 결합량 튜닝볼트(141~147, 150)를 조절할 수 있다(S503).
이 경우 모든 공진기(210)는 쇼트(short) 또는 오픈(open)되어 있어도 무방하며, 두개의 포트 중 하나의 포트만을 사용할 수도 있고, 다중 포트를 사용할 수도 있다. 본 발명의 설명에서는 두개의 포트만이 도시되어 있으나, 세개 이상의 포트를 가지는 필터가 존재함은 자명하기 때문이다.
또한, 본 발명의 튜닝을 실시함에 있어, 튜닝하는 튜닝볼트 이외의 튜닝볼트는, 접지되어도 무방하고, 접지되어 있지 않아도 무방하다.
한편, 상기 튜닝부(330)는 측정 포트로부터 시작되어 순차적으로 1회 튜닝을 수행함으로써, 간단하게 필터의 튜닝작업을 마무리할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따라 튜닝한 필터의 파형을 로그 매그니튜드 윈도우에서 출력한 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 상기 도 4a의 파형과 동일함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 프로토타입 샘플의 위상값과 동일하게 위상을 설정함으로써, 필터 튜닝에 소요되는 인적, 물적 및 시간적인 자원을 최소화할 수 있도록 하는 효과가 있으며, 1회 튜닝으로도 완벽하게 튜닝 작업을 완료함으로써, 종래의 여러번의 튜닝으로 인하여 발생하는 시간적인 손실을 줄일 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 다수의 공진기와, 다수의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 다수의 결합량 튜닝볼트를 구비하는 필터를 튜닝하기 위한, 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치에 있어서,
    튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하기 위한 제어부;
    튜닝하고자 하는 필터의 주파수 영역에서의 반사파의 위상을 분석하여 출력하기 위한 네트워크 분석기; 및
    상기 제어부의 제어에 따라, 튜닝하고자 하는 필터의 다수의 튜닝볼트를 조절하기 위한 튜닝부
    를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 네트워크 분석기가 출력하는 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터와 미리 추출한 위상 데이터를 비교하여, 양자가 동일한 위상값을 가지도록 상기 튜닝부를 제어하는 것
    을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    설계된 필터의 등가 모델링을 통해, 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하는 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    프로토타입 샘플을 통해, 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하는 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 네트워크 분석기는,
    튜닝하고자 하는 필터의 하나의 포트를 이용하여 파형을 분석하는 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 네트워크 분석기는,
    튜닝하고자 하는 필터의 하나를 초과하는 포트를 이용하여 파형을 분석하는 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    튜닝하고자 하는 필터의 상기 다수의 공진기는,
    오픈 상태인 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    튜닝하고자 하는 필터의 상기 다수의 공진기는,
    쇼트 상태인 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 장치.
  8. 네트워크 분석기를 구비하는 시스템에서, 다수의 공진기와, 다수의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 다수의 결합량 튜닝볼트를 구비하는 필터를 튜닝하기 위한, 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 방법에 있어서,
    튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하는 단계; 및
    네트워크 분석기가 출력하는 튜닝하고자 하는 필터의 위상을 이용하여, 상기 에서 추출한 반사파의 위상 데이터와 동일한 위상값을 가지도록 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트를 튜닝하는 단계
    를 포함하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 방법.
  9. 제8에 있어서,
    상기 위상 데이터를 분석하여 추출하는 단계는,
    설계된 필터의 등가 모델링을 통해, 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하는 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 위상 데이터를 분석하여 추출하는 단계는,
    프로토타입 샘플을 통해, 튜닝하고자 하는 필터의 공진기 주파수 튜닝볼트 및 결합량 튜닝볼트의 반사파의 위상 데이터를 분석하여 추출하는 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 네트워크 분석기는,
    튜닝하고자 하는 필터의 하나의 포트를 이용하여 파형을 분석하는 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 네트워크 분석기는,
    튜닝하고자 하는 필터의 하나를 초과하는 포트를 이용하여 파형을 분석하는 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    튜닝하고자 하는 필터의 상기 다수의 공진기는,
    오픈 상태인 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    튜닝하고자 하는 필터의 상기 다수의 공진기는,
    쇼트 상태인 것을 특징으로 하는 반사파의 위상을 이용한 필터의 튜닝 방법.
  15. 삭제
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