KR20110066605A - 초광대역 채널 대역통과여파기 - Google Patents

초광대역 채널 대역통과여파기 Download PDF

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KR20110066605A
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이승식
강승택
최상성
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Abstract

초광대역 송/수신기에 적용될 수 있는 초광대역 채널 대역통과여파기가 개시된다. 본 발명에 따른 초광대역 채널 대역통과여파기는, RF 신호를 수신하는 입력 포트; 필터링된 신호를 출력하는 출력 포트; 및 상기 입력 포트 및 상기 출력 포트 사이에서 병렬 직접 결합되어 직접 결합 분기형 트랜스버설 구조를 형성하는 복수 개의 경로들을 포함한다. 따라서, 대역통과여파기의 사이즈를 대폭 줄일 수 있으며, 대역 내 주파수 특성 및 대역 외 격리 특성이 향상된다.
초광대역, UWB, 트랜스버설, transversal, 계단형 임피던스

Description

초광대역 채널 대역통과여파기 {Bandpass filter for channels of Ultra-wideband}
본 발명은 대역통과여파기(Bandpass filter)에 관한 것으로, 초광대역(Ultra-wideband; UWB) 송/수신기에 적용될 수 있는 하반대역(Lower half-band)용 세 개 인접채널의 대역통과여파기에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2009-S-013-01, 과제명: Wireless Video Area Network 구축을 위한 지능형 WiX 시스템 개발].
대역통과여파기(Bandpass filter; BFS)는 초고주파 영역 중 초광대역 시스템구성의 핵심부품이다.
평행결합선로여파기는 가장 널리 알려진 대역통과여파기 중 하나로, 설계이론이 잘 알려져 있으며 마이크로스트립 공정을 이용하므로 제작이 용이하다.
평행결합선로여파기의 파라미터값들의 결정은 스펙의 진폭특성에 따라 무한한 조합으로 얻어지며 이런 경우 정확히 스펙을 만족하는 조합과 그에 따른 설계값을 얻는 것은 매우 어렵지만, 대부분의 경우 수학적인 근사화를 통하여 직교 다항 함수(Orthogonal polynomial) 계산표들의 값들을 참조함으로써 파라미터값들에 대한 설계가 이루어진다.
그러나, 평행결합선로여파기는 반파장 공진기를 근간으로 설계되어 차수에 따라 길이가 커지고 불요 고조파(spurious harmonic)가 발생되어 인접 채널에 부정적인 영향을 미치는 단점이 있다. 또한, 평행결합선로여파기는 공진기들의 가장자리 누설전기장(fringing field)의 결합을 이용하기 때문에 등가회로에서 얻어진 결합 커패시턴스를 정밀하게 모델링하기 어려워 수 차례 반복되는 풀-웨이브 이엠(full-wave EM) 해석과 제작/측정이 수반되는 단점을 가지고 있다.
따라서, 보다 작은 사이즈로 구현이 가능하면서도 임피던스와 길이만을 이용하여 등가회로와 물리적 구현결과와의 차이를 최소화할 수 있는 새로운 대역통과여파기의 필요성이 절실하게 대두된다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 초광대역 대역통과여파기의 사이즈를 줄이면서 임피던스와 길이만을 이용하여 등가회로와 물리적 구현결과와의 차이를 최소화 하는 것이다.
또한, 본 발명은 누설전기장(fringing field)의 결합을 사용하지 않고, 직접 결합을 이용함으로써 등가회로가 바로 물리적 구조가 되어 회로요소(circuit element)로부터 물리적 치수를 찾기 위한 풀 웨이브 이엠(full-wave EM) 해석과 제작의 반복을 없애는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 계단형 임피던스 개념을 트랜스버설 필터에 도입하여 불요 고조파의 발생 주파수를 기본 주파수의 세 배 이상으로 띄우는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초광대역 채널 대역통과여파기는, RF 신호를 수신하는 입력 포트; 필터링된 신호를 출력하는 출력 포트; 및 상기 입력 포트 및 상기 출력 포트 사이에서 병렬 직접 결합되어 직접 결합 분기형 트랜스버설 구조를 형성하는 복수 개의 경로들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 경로들 각각은 각각 임피던스 및 전기적 길이에 상응하는 구간들을 복수개 포함하는 계단형 임피던스 구조일 수 있다.
이 때, 상기 복수 개의 경로들은 상부 경로 및 하부 경로의 두 개일 수 있 다.
이 때, 상부 경로는 다섯 개의 구간들을 포함하고, 하부 경로는 세 개의 구간들을 포함할 수 있다.
이 때, 구간들 각각의 임피던스 및 전기적 길이는 스토캐스틱 알고리즘(Stochastic algorithm)을 이용하여 결정될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초광대역 송/수신기는, RF 신호를 수신하는 입력 포트; 필터링된 신호를 출력하는 출력 포트; 및 상기 입력 포트 및 상기 출력 포트 사이에서 병렬 직접 결합되어 직접 결합 분기형 트랜스버설 구조를 형성하는 복수 개의 경로들을 포함하는 대역통과여파기를 복수 개 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 초광대역 대역통과여파기의 사이즈를 줄이면서 임피던스와 길이만을 이용하여 등가회로와 물리적 구현결과와의 차이를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 누설전기장(fringing field)의 결합을 사용하지 않고, 직접 결합을 이용함으로써 등가회로가 바로 물리적 구조가 되어 회로요소(circuit element)로부터 물리적 치수를 찾기 위한 풀 웨이브 이엠(full-wave EM) 해석과 제작의 반복을 없앨 수 있다.
또한, 본 발명은 계단형 임피던스 개념을 트랜스버설 필터에 도입하여 불요 고조파의 발생 주파수를 기본 주파수의 세 배 이상으로 띄울 수 있다.
또한, 본 발명은 초광대역 대역통과여파기의 대역 내 주파수 특성 및 대역 외 격리 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 채널 대역통과여파기를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 채널 대역통과여파기는 입력 포트(110), 출력 포트(120), 상부 경로(130) 및 하부 경로(140)를 포함한다.
입력 포트(110)는 RF 신호를 수신한다.
출력 포트(120)는 필터링된 신호를 출력한다.
입력 포트(110)를 통하여 수신된 RF 신호는 병렬 직접 결합된 상부 경로(130) 및 하부 경로(140)로 분기된다.
RF 신호의 흐름을 특성이 다른 다중경로로 분기시켰다 결합하는 방식이 트랜 스버설 필터(Transversal filter)의 특징인데, 기존의 트랜스버설 필터는 하나의 경로에 하나의 전송선로(임피던스 및 전기적 길이 변수의 쌍)만 할당하고, 경로간의 위상차를 이용하여 특정 신호를 차단하거나 통과시킨다.
그러나, 이렇게 되면 차단 또는 통과대역의 폭이 상당히 좁아 원하는 대역폭을 얻기 힘들다. 즉, 트랜스버설 필터 설계에서 경로에 단일 전송선로를 부여하고 위상차만을 설계목표로 잡는 경우 대역폭의 확장에 한계가 생기는 것이다.
이와 같은 트랜스버설 필터의 단점을 극복하고 평행결합선로의 길이 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 설계 자유도를 높일 수 있는 계단형 임피던스 개념이 적용된다.
상부 경로(130)는 다섯 개의 구간들(131, 132, 133, 134, 135)을 포함한다.
구간들(131, 132, 133, 134, 135)은 각각 (임피던스, 전기적 길이)의 쌍에 대응된다.
하부 경로(140)는 세 개의 구간들(141, 142, 143)을 포함한다.
상부 경로(130) 및 하부 경로(140)는 입력 포트(110) 및 출력 포트(120) 사이에서 병렬 직접 결합되어 결합 분기형 트랜스버설(transversal) 구조를 형성한다.
구간들(141, 142, 143) 역시 각각 (임피던스, 전기적 길이)의 쌍에 대응된다.
본 발명에 따르면 각각의 구간에 상응하는 임피던스와 전기적 길이를 변경함으로써 원하는 주파수 특성을 가지는 대역통과여파기가 설계된다.
구간들(131, 132, 133, 134, 135, 141, 142, 143)은 각각 세그먼트선로에 상응한다.
즉, 도 1에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 채널 대역통과여파기는 기존 대역통과여파기의 단점을 극복하기 위해 전송선로의 직접 연결구조 및 트랜스버설(transversal) 구조를 채택하고 경로를 분기시키고 분기된 경로마다 임피던스와 길이가 구간별로 다른 계단형 임피던스(stepped impedance) 개념을 결합한 것이다.
도 1에 도시된 대역통과여파기의 설계시, 대역통과여파기 설계를 위한 변수가 16개로 늘어나 설계자유도가 증가하는 것을 알 수 있다.
상부 경로(130) 및 하부 경로(140)를 각각 대칭적으로 설계하면 변수 개수를 10개로 줄일 수 있다. 즉, 상부 경로의 구간(131)과 구간(135)의 특성을 동일하게 하고, 구간(132)와 구간(134)의 특성을 동일하게 하고, 하부 경로의 구간(141)과 구간(143)의 특성을 동일하게 하면 변수 개수가 10개로 줄어든다.
10개의 변수를 이용하여 스펙에 따른 비정형 함수특성의 진폭을 얻는 경우에는, Chebysheff 응답특성과 같은 정형화된 표를 이용하는 기존의 설계법을 적용할 수 없다.
본 발명의 일실시예에서는 전달함수의 비선형 문제 해결을 위해 스토캐스틱 최적화 알고리즘(Stochastic Optimization Algorithm)을 이용하여 변수 값들을 계산할 수 있다.
도 2는 스토캐스틱 최적화 알고리즘을 나타낸 동작 흐름도이다.
스토캐스틱 최적화 알고리즘에 대해서는 미국특허 제7,558,708호 등에 상세히 개시되어 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
스토캐스틱 최적화를 통하여 샘플주파수에서의 원하는 S21, S11 값과 변화하는 값들의 유클리디언 오차함수(error function)와 변수들을 수렴시켜서 적절한 파라미터를 결정할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 도 1에 도시된 초광대역 채널 대역통과여파기의 채널 별 주파수 응답특성을 나타낸 그래프이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 그래프는 초광대역 하부대역의 인접한 세 개 채널(중심주파수는 각각 3.5 GHz, 4.0 GHz, 4.5 GHz이며, 각각 470 MHz의 대역폭을 가지며, 삽입손실 < 1dB, 반사손실 < -15dB)을 위한 대역통과여파기의 주파수 응답 특성을 나타낸다.
도 3은 중심주파수가 3.5 GHz인 경우에 맞추어 설계된 본 발명에 따른 초광대역 채널 대역통과여파기의 주파수 응답 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 3.5 GHz 주파수 근처에서 S11 파라미터는 급격히 감소하고, S21 파라미터는 0dB에 가까워지는 밴드 패스 필터의 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 4는 중심주파수가 4.0 GHz인 경우에 맞추어 설계된 본 발명에 따른 초광대역 채널 대역통과여과기의 주파수 응답 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 4.0 GHz 주파수 근처에서 S11 파라미터는 급격히 감소하고, S21 파라미터는 0dB에 가까워지는 밴드 패스 필터의 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 대역통과여파기는 도 4에 도시된 바와 같이, 대역 내 주파수 특성이 우수하고, 대역 외 격리(isolation)특성이 우수하다.
도 5는 중심주파수가 4.5 GHz인 경우에 맞추어 설계된 본 발명에 따른 초광대역 채널 대역통과여과기의 주파수 응답 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 4.5 GHz 주파수 근처에서 S11 파라미터는 급격히 감소하고, S21 파라미터는 0dB에 가까워지는 밴드 패스 필터의 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 3 내지 도 5의 결과 모두 스펙(중심 주파수, 대역폭, 삽입손실, 반사손실)을 잘 충족시키는 것을 알 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 대역통과여과기는 유사한 특성을 갖는 종래의 평행결합선로여파기에 비하여 훨씬 작은 사이즈로 제작이 가능하다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 초광대역 채널 대역통과여파기는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초광대역 채널 대역통과여파기를 나타낸 도면이다.
도 2는 스토캐스틱 최적화 알고리즘을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 3 내지 도 5는 도 1에 도시된 초광대역 채널 대역통과여파기의 채널 별 주파수 응답특성을 나타낸 그래프이다.

Claims (1)

  1. RF 신호를 수신하는 입력 포트;
    필터링된 신호를 출력하는 출력 포트; 및
    상기 입력 포트 및 상기 출력 포트 사이에서 병렬 직접 결합되어 직접 결합 분기형 트랜스버설 구조를 형성하는 복수 개의 경로들을 포함하는 것을 특징으로 하는 초광대역 채널 대역통과여파기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130064600A (ko) * 2011-12-08 2013-06-18 한국전자통신연구원 위상 경로차 유도용 다중 링 구조의 초광대역 소형 대역 통과 여파기
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