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지훈 미
5 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 2 pp , 위성통신용주파수하향변환기의설계및제작 이승대 1*, 나상엽 2 1 남서울대학교전자공학과, 2 남서울대학교컴퓨터학과 Design and Implementation of Frequency Down Converter for Satellite Communication Seung-Dae Lee 1* and Sang-Yeob Na 2 1 Dept. of Electronic Engineering, Namseoul University 2 Dept. of Computer Science, Namseoul University 요약본논문에서는 LC 필터기술을기반으로하는주파수단일하향변환기를설계및제작하였다. 설계한단일하향변환기는저잡음증폭기, 혼합기 IF 증폭기, LC 필터로구성하였으며 DC block 커패시터와 RF bypass 커패시터로구성된다. 설계한변환기는 IC를 LC 필터로대치하여전력을감소시키고제작비용을낮추어주는효과를보인다. 본논문에서설계, 제작한단일하향변환기는이득이약 10dBm이고 70MHz에서 18MHz의대역폭을실현하였다. Abstract In this paper, design and implementation of frequency down converter based on LC filter technic. Single frequency down converter, designed a low-noise amplifier, mixer, IF amplifier, LC filter was configured. And it is composed of DC block capacitors and RF bypass capacitor. LC filter, replace it with the IC reduced the power and realized low cost. The gain of single down converter is about 10dBm and realized by 18MHz bandwidth at 70MHz band Key Words : Chebyshev Filter, LNB, NF, Cut-off Frequency 1. 서론 1992년우리별 1호를시작으로현재 Ku-Band 대역을사용하는무궁화위성은다방면에서사용되고있다. 위성을이용한여러가지서비스가확대되고또한위성통신에대한중요성이급부상함에따라위성통신용부품및송수신방식에대한기술개발이절실히요구되고있는실정이다. 송수신기기가점차진보, 향상될수록단말기내부의시스템에서처리되는주파수과정역시더욱더섬세하며복잡해지고있는데이에주파수변환기 (frequency converter) 역시송수신기의발전과함께중요한부분으로여겨지고있다. 위성통신시스템에서위성의신호를기저대역신호로변환하기위해서없어서는안될시스템중하나가주파수변환기이다. 따라서송수신시스템에서큰영향을미 치고있다. 주파수변환기는 2 가지의변환방식을가지고있다 [1,2]. 블록주파수변환방법은다채널을수신받을수있다는장점과온도및습도의변화에상대적으로보호되어있지만다른방식보다제작하는데어렵고비용이많이든다는단점이있다. 그러나단일방식변환기는상대적으로제작하기용이하며비용이적게든다는장점을가지고있다 [3]. 본논문에서는단일방식주파수변환기를기존의기술방식과여파기등을이용함으로써저전력및저가의주파수변환기를제작하고자한다. 2. 본론 그림 1 은주파수단일하향변환기의전체적인흐름을 본논문은 2011 년도남서울대학교학술연구비지원에의해연구되었음. * 교신저자 : 이승대 (seungdae@nsu.ac.kr) 접수일 11 년 12 월 16 일수정일 12 년 01 월 16 일게재확정일 12 년 02 월 10 일 801

2 한국산학기술학회논문지제 13 권제 2 호, 2012 나타낸시스템블록도이다. 수신안테나단의저잡음변환기에서송신한주파수를 BPF에서주파수대역폭을 950MHz 1,450MHz로차단하며저잡음증폭기 (LNA) 에서잡음을제거하고혼합기로입력된다. 국부발진기에서발진한주파수가 RF 신호를 IF 신호로하향변환시켜주는 RF 하향변환혼합기 (RF down mixer) 로들어온주파수를 70MHz의중간주파수로변환하고대역통과필터를통과함으로위성수신주파수규격인대역폭 18MHz(61 79MHz) 로차단되며증폭기로신호를증폭한후기저대역신호로변환하게된다 [4]. [ 그림 1] 주파수변환기의시스템블록도 [Fig. 1] System block diagram of frequency converter 본논문에서주파수단일하향변환기의성능을결정하는가장중요한요소인필터는식 (1) 과같은감쇠식을갖는 Chebyshev 필터를사용하였다. Chebyshev 필터는가장많이사용되는필터로리플이존재하지만감쇠기울기가높은양호한스커트특성을가지고있다. (1) 최종적으로설계한필터회로는그림 2 와같다. [ 그림 2] 계산된값을적용한 LPF 회로 [Fig. 2] LPF circuit with computer values 회로내에서고정감쇠기는레벨조정, 안정성개선, 매칭개선을위하여사용하였다. 발진회로는그출력에연결되는부하의영향을받는다. 부하의영향을줄이기위하여발진회로의안정성을개선하기위하여감쇠기를회로에삽입하게된다. 혼합기에서는국부발진기, 중간주파수와의매칭을개선하기위하여사용하였으며 3 db 의 형고정감쇠기를사용하였다. 식 (4) 에감쇠기를설계하기위한저항값유도식이다. 여기서 는입력포트와출력포트사이에직렬연결된저항값이며 는병렬연결된저항값이다 [7,8]. (4) 여기서계수 은식 (2) 와같다. (2) 이며 는통과대역리플의 db 값이다 [5,6] 필터를설계하는방법을이용하여리플 0.1 db, 차단주파수 1130MHz, 부하저항 50 인 Chebyshev 필터를설계하였다. 저역통과기본형소자값표에서조건에맞는소자값을찾고이를이용하여기본회로를설계하고식 (3) 을이용하여커패시터및인덕터의값을계산하였다., (3) 3. 모의실험 필터제작을위한인덕터와커패시터는 1608 chip 커패시터와 1608 chip 인덕터를사용하였다. 모의실험은 RF-Sim 프로그램을이용하였다. 그림 3(a) 는 1,130MHz LPF를시뮬레이션하기위한소자값이며그림 3(b) 는시뮬레이션결과이다. 원하는파형및이득, 정재파비값을얻기위하여튜닝작업을수행하였다. 혼합기의출력단에서는 2,330MHz와 70MHz의주파수신호가출력된다. 차단주파수 70MHz인저역통과필터는출력되는주파수성분증에서 70MHz 대역의신호를추출하기위하여설계하였으며기본회로로부터원하는출력값을얻기위하여소자값을미세조절하였다. 그림 4 는 70MHz의 LPF에대한소자값및시뮬레이션결과를 802

위성통신용주파수하향변환기의설계및제작 나타내었다. 이시뮬레이션을통하여실제제작하려는 LPF의대략적인소자값을얻을수있다. 950MHz 1,450MHz의 BFP는안테나상층부에존재하는저잡음차단하향변환기에서보내온신호를원하는주파수대역만을입력신호로사용하기위하여설계하였다. 대역통과필터는각각 7차 LPF와 HPF를조합하여설계하였다.

3 위성통신용주파수하향변환기의설계및제작 나타내었다. 이시뮬레이션을통하여실제제작하려는 LPF의대략적인소자값을얻을수있다. 950MHz 1,450MHz의 BFP는안테나상층부에존재하는저잡음차단하향변환기에서보내온신호를원하는주파수대역만을입력신호로사용하기위하여설계하였다. 대역통과필터는각각 7차 LPF와 HPF를조합하여설계하였다. 그림 5는 950MHz HPF와 1,450MHz LPF 를조합한후시뮬레이터를이용하여모의실험한결과파형이다. [ 그림 3] 차단주파수 1,130MHz 인 LPF 모의실험 [Fig. 3] Simulation of cutoff freq. 1,130MHz [ 그림 5] 950 1,450MHz BPF 의모의실험 [Fig. 5] Simulation of 950 1,450MHz BPF 최종단의 BPF 또한전체회로실험에서실험값의변경을고려하여약간의여유를두고차단주파수를설정하였다. 대역폭 18MHz는위성통신규격주파수대역을나타낸다. 따라서 500MHz 대역폭을갖는신호는 1차 IF 주파수대역에서 70MHz 대역폭을갖게되며 2차 IF 주파수대역에서 18MHz로변환된다. 이에대한시뮬레이션결과는그림 6에보인바와같다. [ 그림 4] 차단주파수 70MHz 인 LPF 모의실험 [Fig. 4] Simulation of cutoff freq. 70MHz 803

4 한국산학기술학회논문지제 13 권제 2 호, 2012 [ 그림 6] 61 79MHz 대역의 BPF 모의실험 [Fig. 6] Simulation of 61 79MHz band BPF (b) 이득 (c) 정재파비 [ 그림 7] 차단주파수 1,130MHz LPF 측정결과 [Fig. 7] Measurement result of cutoff frequency 1,130MHz LPF 4. 실험결과및고찰 표 1은각능동소자와전원부의전압을측정한결과이다. 전원부에 6.52V의전압을인가하면 MIC39102 레귤레이터를거쳐 5.45V로전압강하가발생함을확인하였으며이전압은각능동소자의바이어스회로로인가되며각능동소자의바이어스회로에존재하는저항값에의하여 5V의정전압원이각능동소자에공급하도록설계하였다. 또한필터의실험결과를얻기위하여 Anritsu사의 MS4623B 주파수분석기를사용하였다. 그림 7(a) 는실험을통해얻은최종소자값으로설계한회로이다. 그림 7(b) 의결과에서알수있듯이차단주파수는약 1130MHz에서 dB이며제2 고조파의크기는 dB이다. 그림 7(c) 에서알수있듯이정재파비는 1.078U이다. 차단주파수를 -3dB로하지않은이유는최종적인회로에부품과저항및소자를실장할경우차단주파수가변하게되기때문에여유를두고차단주파수를설정하였기때문이다. [ 표 1] 각능동소자의입력정전압원 [Table 1] Input voltage source of active device 전원부입력단전원부출력단 BG13B BL011 혼합기부 BIF1 출력부 BIF1 6.52[V] 5.45[V] 4.89[V] 4.87[V] 5.02[V] 4.97[V] (a) 필터회로 (b) 이득 (c) 정재파비 [ 그림 8] 차단주파수 70MHz 인 LPF 측정결과 [Fig. 8] Measurement result of cutoff frequency 70MHz LPF (a) 필터회로 그림 8(a) 는실험을통해얻은최종소자값으로설계한회로이다. 그림 8(b) 의결과에서알수있듯이차단주 804

위성 통신용 주파수 하향 변환기의 설계 및 제작 파수가 70MHz에서 -2.977dB이다. 그림 8(c)는 정재파비 가 1.329U이다.

0 프 로그램을 이용하여 회로를 설계한 후 제작하였다[9]. 데 이터 시트에 의한 부품의 크기와 전체 회로에 맞추어 설 (a) 필터 회로 계하였다.

9] Measurement result of 61 79MHz band BPF (b) PCB 회로 [그림 11] 제작된 단일 주파수 변환기 회로 [Fig.

763dB, LPF에서 차단 주파수가 82.5MHz에서의 이득은 -5.105dB 값을 갖는다. 또한 정재 파비는 각각 1.254U와 1.

대역폭 이 18MHz인 좁은 대역폭으로 인하여 삽입 손실이 조금 크게 측정되었으며 대역 통과 주파수가 -3-5 db로 손 실이 크게 측정되었으나 이는 증폭기의 이득을

5 위성 통신용 주파수 하향 변환기의 설계 및 제작 파수가 70MHz에서 dB이다. 그림 8(c)는 정재파비 가 1.329U이다. 차단 주파수가 -3dB에서 +10MHz를 설 계한 이유는 차후 최종적인 회로에서 실험값들이 약간씩 변화될 수 있기 때문에 약간의 여유를 두고 차단 주파수 를 설정하였기 때문이다. [그림 10] 주파수 변환기 실험 측정 장비 [Fig. 10] Frequency converter of measurement equipment 그림 11에 보인 바와 같이 PCB 기판은 PADS 9.0 프 로그램을 이용하여 회로를 설계한 후 제작하였다[9]. 데 이터 시트에 의한 부품의 크기와 전체 회로에 맞추어 설 (a) 필터 회로 계하였다. (b) 이득 (c) 정재파비 (a) PADS 회로 [그림 9] 61 79MHz 대역의 BPF 측정 결과 [Fig. 9] Measurement result of 61 79MHz band BPF (b) PCB 회로 [그림 11] 제작된 단일 주파수 변환기 회로 [Fig. 11] Single frequency down converter circuit 그림 9(b)에서 확인할 수 있듯이 HPF에서 차단 주파 수가 59.3MHz에서 dB, LPF에서 차단 주파수가 82.5MHz에서의 이득은 dB 값을 갖는다. 또한 정재 파비는 각각 1.254U와 1.341U가 측정되었으며 중심주파 수 70MHz에서 정재파비는 1.772U가 측정되었다. 대역폭 이 18MHz인 좁은 대역폭으로 인하여 삽입 손실이 조금 크게 측정되었으며 대역 통과 주파수가 -3-5 db로 손 실이 크게 측정되었으나 이는 증폭기의 이득을 통해 손 실을 보완할 수 있다. 전체적인 주파수 변환기의 실험은 여러 가지 부분 회 (a) 2330MHz (b) 60MHz (c) 61MHz (d) 70MHz 로의 실험에 의해서 유도된 데이터의 소자값들을 PCB에 실장한 후 주파수 파형 분석기로 측정하였다. 그림 10에 보인 바와 같이 RF 신호 입력을 위하여 Agilent사의 E4432B를 사용하고 국부 발진용으로 HewLett-Packard사 의 신호발생기를 사용하였으며 출력 신호 측정을 위하여 Anritsu사의 MS2718B 주파수 파형 분석기를 사용하였 다. 805

이결과로부터주파수하향변환기가정확히동작하고있음을확인할수있다. 5. 결론 위성통신기술에서송수신단은신호를주고받는기능을하는중요한부분이다. 이는곧시스템의성능을좌우하며, 시스템의경쟁력을확보하기위한모듈의저전력, 저가격화가요구되고있다. 본논문에서는필터용 IC를인덕터와커패시터를사용한 LC 필터로변경한위성통신용단일주파수하향변환기를설계및제작하였다.

6 한국산학기술학회논문지제 13 권제 2 호, 2012 활용할수있을것이다. References (e) 79MHz (f) 81MHz [ 그림 12] 주파수파형분석기로측정한결과 [Fig. 12] Measurement result with a spectrum analyzer 그림 12(a) 는혼합기에서합과차에의해서출력된신호 2,330MHz와 70MHz 중 2,330MHz가 LPF에의해서제거되었음을확인할수있다. 그림 12(b) 그림 12(f) 는중심주파수 70MHz이고대역폭이 61 79MHz인단일주파수변환기의출력신호이다. 이결과로부터주파수하향변환기가정확히동작하고있음을확인할수있다. 5. 결론 위성통신기술에서송수신단은신호를주고받는기능을하는중요한부분이다. 이는곧시스템의성능을좌우하며, 시스템의경쟁력을확보하기위한모듈의저전력, 저가격화가요구되고있다. 본논문에서는필터용 IC를인덕터와커패시터를사용한 LC 필터로변경한위성통신용단일주파수하향변환기를설계및제작하였다. 설계된통합회로에는저잡음증폭기, 혼합기, 필터, 증폭기및감쇠기로구성된다. 실험은회로의기본적인 IC와 LC 필터의기본소자값을찾고 RF-Sim 프로그램을사용하여모의실험하였으며실제측정을통하여정확한소자값을구현하고 PCB에실장한후 RF 단, IF 및 LO 단을각각실험하고최종적으로 1,200MHz의중간주파수와 1,130MHz의 LO 주파수를통해결과를측정하였다. 그결과설계한수치대로혼합기에서출력된또하나의신호인 2,330MHz는출력되지않았으며최종출력단에서중간주파수 70MHz를중심으로 18MHz 대역인 61 79MHz 범위에서파형이측정되었다. 이득이약 39.45dBm 이며 39 41dBm 사이에서결과가측정되었으며신호부의정재파비는 1.5:1 이하의설계사양을충분히만족하는것을확인하였다. 이에본논문에서도출한실험결과값은실제 RF 수신기의설계데이터로충분히 [1] Sang-Ho, Hong, Design of RF Block Up&Down Converter for 2.4GHz ISM Band, Sogang University Graduate School, [2] Hyun-Won, Mun, An Efficient Realization of 2.4GHz Low Power RF Tranceiver, KAIST, [3] Dong-Jin, Kim, Design and Implementation of Low Noise Block Downconverter for Ku-Band, Kwangwoon University Industrial Training Graduate School, [4] Byung-Man Min, "Design and Implementation of the Up/Down Converter with Improved LO-to-RF Isolation", Kwangwoon University, [5] Chris Bowick, RF Circuit Design, Butterworth Heinemann, pp.78-89, pp , [6] Sung-Ho, Kim, A Study on the Design of RF Front-End Receiver for 2.4GHz Application, Inha University Graduate School, [7] Hyun-Goo Kim, "Down Converter Block with Improved IMd for Ku-Band LNB Application", Department of Electronics engineering Graduate School Kwangwoon University, [8] Young-Gi, Park, RF Circuit Design - Theory and Practical, Wooshin, [9] Sang-Hyun, Yoon, PADS 2007 for PCB Designers, Naeha, 이승대 (Seung-Dae Lee) [ 정회원 ] < 관심분야 > 채널모델링, RF 통신, 정보통신 1992 년 2 월 : 단국대학교대학원전자공학과 ( 공학석사 ) 1999 년 8 월 : 단국대학교대학원전자공학과 ( 공학박사 ) 2000 년 1 월 ~ 2002 년 12 월 : ( 주 ) 스포츠위너기술이사 1995 년 4 월 ~ 현재 : 남서울대학교전자공학과교수 806

7 위성통신용주파수하향변환기의설계및제작 나상엽 (Sang-Yeob Na) [ 정회원 ] 1995년 2월 : 동국대학교대학원컴퓨터공학과 ( 공학석사 ) 2000년 2월 : 동국대학교대학원컴퓨터공학과 ( 공학박사 ) 2004년 8월 ~ 2005년 8월 : Cannegie-Mellon University, Computer Science 1996년 3월 ~ 현재 : 남서울대학교컴퓨터학과교수 < 관심분야 > 보안, 전자문서, 정보검색 807

00-2 목차.hwp

00-2 목차.hwp Journal of the Korea Aademia-Industrial ooperation Soiety Vol 15, No 5 pp 3079-305, 2014 http://dxdoiorg/105762/kais20141553079 ISSN 1975-4701 / eissn 22-46 개선된주파수상향변환기에관한연구 이승대 1*, 신현용 1 1 남서울대학교전자공학과