본 논문에서는 종단판 프로브와 동조 포스트가 포함된 동축선 대 캐비티 필터의 특성을 3차원의 시간영역 유한차분(3-D FDTD) 방법에 의해서 계산하였다. 이 필터는 캐비티 안으로 삽입된 동축선의 내부도체가 복사체 역학을 하며, 사각혀 ㅇ동조 포스트의 높이에 의해서 공진주파수를 결정하게 되는 구조이다. 이러한 필터 특성의 계산값과 실제 제작된 필터의 측정값을 비교하여 이 해석 방법의 유용성을 확인하였다.
이동통신 중계기에 사용하는 SAW(Surface Acoustic Wave) 방식의 대역통과필터를 대체할 수 있는 5G 이동통신 중계기용 군 지연 특성이 개선된 크로스 커플링 등화기 구조를 결합한 캐비티 대역통과필터를 설계하고 이를 구현하였다. 3D EM 시뮬레이션 툴 (HFSS)을 이용하여 공진 주파수, 공진기 간 결합 계수와 공진기 사이 외부 품질 계수를 계산하였고, 이를 바탕으로 메탈 캐비티 구조로 주파수대역 3500MHz~3600MHz, 대역폭 97.85MHz로 대역 양쪽 가장자리 주파수(edge)단에서 20dB 이상의 감쇄 특성을 가지도록 12차 대역 통과 필터를 제작 하였다. 설계 제작한 대역통과필터는 5G 이동통신 표준에 요구하는 군 지연 시간 조건과 인-밴드, 아웃-밴드 주파수 응답을 만족하였다.
본 논문은 무선통신 시스템에 사용되는 저 손실 소형 대역통과 필터를 새로운 프로브 구조를 적용하여 설계 제작하였다. 필터의 저 손실 특성을 위해 Q값이 높은 Ba(Co, Nb)$O_3$계 세라믹 유전체 공진기를 사용하였으며, $TE_{01{\delta}}$ 모드의 공진을 이용하여 금속 캐비티의 도체손실 영향을 줄였다. 소형화를 구현하는 방법으로는 캐비티의 양옆의 공간을 줄이도록 정사각형 캐비티의 코너 공간을 적극 활용하였으며, $12{\times}12{\times}8[mm]$의 초소형 필터를 제작하였다. 제작된 소형 필터의 주파수특성을 측정한 결과, 중심주파수 $f_0$는 9.95358[GHz], 삽입손실은 -1.9[dB], 3[dB]_대역폭은 14.9[MHz], 부하Q는 664로 저손실 대역동과 필터의 특성을 만족하고 있다.
본 논문에서는 임의의 정지궤도 위성의 고출력증폭기(120 W급) 후단에 구성되는 X-대역 원통형 도파관 캐비티 필터의 고전력 핸들링 능력을 연구하고, 그 결과를 제시하였다. 필터의 차수는 6차로 정하였고, 공진기 크기를 원형통 캐비티 모드 차트로부터 도출한 후, 필터의 물리적인 기본 형상을 설계하였다. 이차 전자모델(SEM)인 전자수 진화 시뮬레이션 방법과 전압배율인자(VMF) 방법을 이 필터에 적용하여 멀티팩터(multipactor) 마진을 분석하고 비교하였다. 이 결과, VMF 방법이 전자수 진화 시뮬레이션 방법보다 더 낮은 멀티팩터 임계값을 제공하는 것으로 나타났다. VMF 방법으로 얻은 멀티팩터 분석 마진 값을 유럽표준(ECSS)에서 정하는 기준 마진(단일 캐리어의 경우 8 dB)과 비교하여 실제 시험이 필요하다고 판단하였고, 유럽우주기구(ESA) 시설에서 수행된 시험에서 540 W까지 RF 신호를 입력하였을 때 멀티팩터가 발생하지 않음을 확인하였다. 따라서 분석과 시험을 통하여 X-대역 원통형 도파관 캐비티 필터는 정지궤도에서 운용에 필요한 충분한 고전력 취급 능력이 있음을 보였다.
다양한 서비스에 대한 사용자의 욕구를 충족시키고, 주파수를 효율적으로 사용하기 위해서 여러 통신방식을 하나의 플랫폼에서 제공할 필요가 있다. 다양한 통신방식을 수용하는 광대역 무선통신시스템을 구현하기 위해서는 통신시스템 전단부에 반드시 대역가변필터를 사용해야 한다. 본 논문에는 캐비티 공진기의 구조를 갖는 800 MHz ~ 1600 MHz 범위의 대역가변필터의 구현 가능성을 확인하기 위해서 동일한 동작주파수 범위를 갖는 필터뱅크를 설계 및 제작하였다. 필터뱅크는 원하는 동작주파수 범위에서 5개의 대역통과필터로 제작하였고, 제작한 필터뱅크의 삽입손실은 최대 0.326 dB, 대역폭은 37 MHz ~ 84 MHz 그리고 감쇠특성은 대역 가장자리 ${\pm}60MHz$ 지점에서 최소 19.974 dB와 최대 37.812 dB로 측정되었다.
이 논문은 5.8 GHz 대역 DSRC에 응용되는 듀플렉서의 구현을 위한 설계와 제조방법을 제시하였다. BZT계 유전테 첨가물을 제어하여 Q$\times$f$_{o}$ =30,000 이상인 원통형 유전체 공진기(DR)를 개발하였으며, 송수신 각 4단의 캐비티 필터 구성에 의해 DSRC에서 요구되는 f$_{o}$$\pm$10 MHz의 대역폭에서 송신 40dB, 수신 50dB의 감쇠특성을 실현하였다. 시제품의 성능은 실측 결과 삽입손실이 다소 높은 것을 제외하고는 이론값에 잘 일치하였다.
본 논문에서는 지상에서 시험 중에 발생한 X-대역 원통형 도파관 캐비티 필터의 방전을 소개하고, 원인 분석을 위하여 수행한 전자장 시뮬레이션 결과와 실제 운용궤도에서의 발생 가능성에 대하여 분석한 내용을 기술하였다. 전자장 시뮬레이션을 위하여 상용 툴(FEST3D)을 이용하여 필터를 모델링하고 대역폭 안팎의 주파수 신호(1 W Continuous Wave)를 입력하면서 필터 내부의 전계를 살펴보았다. 이 결과, 대역폭 중심보다는 가장자리(band edge) 주파수 신호가 입력되었을 때 필터 내부의 튜닝 스크류에서 더 강한 전계가 형성되는 것으로 나타났다. 그리고 방전 임계 전력을 산출하여 필터에 실제 입력된 전력과 비교해 본 바, 방전 임계값을 초과하는 전력이 필터에 입력되었고 이에 따라 강한 전계가 발생하고 온도가 급격히 상승하여 전기적인 단락으로 이어진 것으로 파악되었다. 추가적인 분석 결과 이 방전은 실제 운용궤도에서는 발생할 가능성이 낮고, band edge 주파수가 필터에 입력되더라도 멀티팩터(multipactor) 현상은 일어나지 않을 것으로 예측되었다. 지상에서 일어날 수 있는 마이크로파 방전에 대한 대책으로서 band edge 신호 입력을 피하거나 전력 레벨을 낮게 입력하는 방법을 제안하였다.
고온 초전도 YBCO 박막을 Nd:YAG 레이저를 이용하여 MgO 기판에 증착시켰다. 박막을 마이크로스트립형 통신소자로 제작하기 위해 포토리스그래피 방법으로 습식 에칭을 시켰다. 제작된 박막에 접지면을 입히기 위해 스퍼터링 방식으로 Ti 충을 30 nm 증착하고, 열 증발기로 Ag를 $2{\mu}m$ 정도로 증착을 시켰다. 소자의 주파수 응답을 측정하기 위해 캐비티를 제작하여 측정하였다. 제작된 필터의 중심 주파수는 14 GHz이다. 박막을 냉각시켜며 그 중심 주파수를 측정하여 임계 온도를 측정할 수 있었다. 필터는 두 가지 디자인을 이용하였으며, 임계 온도에서의 중심주파수가 일정하게 이동함을 관찰할 수 있었다.
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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[게시일 2004년 10월 1일]
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