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지수 여
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1 Journal of the Korea Aademia-Industrial ooperation Soiety Vol 15, No 5 pp , ISSN / eissn 개선된주파수상향변환기에관한연구 이승대 1*, 신현용 1 1 남서울대학교전자공학과 The Study on Advaned Frequeny Up Converter Seung-DaeLee 1* andhyun-yongshin 1 1 DepartmentofEletroniEngineering,NamseoulUniversity 요약본논문에서는수동소자를이용한필터설계기술을기반으로하고디지털계단형감쇠기를이용하여전력레벨조절이가능한주파수상향변환기를설계및제작하였다 제작한주파수변환기는저전력및저가의제작비용을실현하였으며전력레벨의조절이가능하여광범위한영역에서사용이가능하다 실험결과, 중심주파수 1,200MHz 에서 160MHz 의대역을확보하였으며이득은평균 075dB 임을확인하였다 또한, 디지털감쇠기를통해전력레벨을 dBm 까지조절이가능함을확인하였다 Abstrat This paper suggests a power level ontrollable frequeny up-onverter whih is designed and fabriated using both the filtering tehnology onsisted with only passive devies and a multi-level digital attenuator The suggested frequeny up-onverter simultaneously realizes the low power onsumption and the low ost model Beause of the possibility for ontrolling power levels, it is possible to use the suggested frequeny up-onverter for wide spetral range Aording to the experimental results, the average gain value of 075dB is obtained for the bandwidth of 160MHz at the enter frequeny of 1,200MHz Espeially, it is onfirmed that the power level an be ontrolled from 10 to 215dBm through the digital attenuator Key Words : Chebyshev Filter, Frequeny Up-Converter, Power Level Control, RF Digital Step Attenuator 1 서론현재무선통신시스템은음성중심의협대역시스템에서초고속대용량의멀티미디어데이터를위한광대역특성과단일단말기로복합적이고다양한서비스를구현할수있는다중대역특성을갖는시스템으로발전하고있다 이러한무선통신시스템의발전에따라통신시스템의주요블록인 RF 전단부도광대역을수신할수있어야하며동시에낮은전력소모, 소형및경량화를구현할수있는새로운구조가요구되고있다 또한, 최근위성및무선통신수요의급격한증가로사용주파수대역이점점높아지고있으며한정된주파수자원에서이용자 수가급격하게증가하고있으므로주파수간섭을최소화하고정확도를높이기위해서광대역, 고주파수, 제작의간편성, 적은제작단가의특성을갖는통과필터를필요로하고있으며이에대한연구가활발히진행되고있다 [1,2] 또한, 데이터의송수신방식에대한기술이개발되고송수신기역시진보하면서주파수변환기역시시스템의향상에힘입어같이발전되고있다 [3] 그러나무선통신시스템들이요구하는대역의고주파수로변환하더라도각각의시스템이원하는전력레벨이상이하여원하는레벨에맞게증폭기와필터를다시설계해야하는어려움이있다 본논문은남서울대학교연구과제로수행되었음 * Corresponding Author : Seung-Dae LeeNamseoul Univ Tel: seungdae@nsuakr Reeived January 13, 2014 Revised February 1, 2014 Aepted May,

2 한국산학기술학회논문지제 15 권제 5 호, 2014 본논문에서는기저대역주파수 를 로단일변환하고디지털계단형감쇠기를설계하여각각의무선시스템이요구하는전력레벨을만족하기위하여전력레벨의조절이가능한단일주파수상향변환기를설계및제작하고자한다 고주파측정시의매칭용으로사용하는감쇠기는 형고정감쇠기를사용하였다 감쇠기의감쇠량을 일때각저항값은식 1,2 와같이구할수있다 입출력임피던스가 인경우 감쇠기의저항값은, 이다 2 본론 전력레벨조절이가능한단일주파수상향변환기시스템의블록도는 Fig1 에보인바와같다 의기저대역신호가 으로입력되므로 2개의증폭기를이용하여 으로증폭한후필터를이용하여잡음을제거한다 [Fig 2] LPF Ciruit 1 2 [Fig 1] System Blok Diagram 국부발진기에서 의주파수와기저대역신호를이용하여 의주파수로변환하고변환된주파수는대역통과필터를이용하여대역을제한한다 이때,와 의대역이근접해있으므로정밀한필터링을위해다수의필터와증폭기를사용하였다 제한된신호는디지털계단형감쇠기를이용하여전력레벨을무선통신시스템이요구하는 에서 까지변경이가능하도록하였다 필터설계는주파수변환기의성능을좌우하는중요한부분으로본논문에서는스커트특성이우수한체비쉐브필터를사용하여저주파리플, 고주파스퓨리어스및불요고주파성분을제거및억제하고자하였다 최종설계한 LPF 필터회로는 Fig2 에보인바와같다 리플, 차단주파수 이고 의특성임피던스를갖도록설계하였다 [4,5] 마이크로파유닛간을연결하고레벨을조정하거나 본논문에서는증폭주파수대역이넓고결합공진회로나스태거회로또는저항결합회로에사용하며필요에따라파킹코일로고주파한계를높일수있는특서을갖는 HBT 증폭기및광대역증폭기를사용하여 의입력신호를 으로증폭하였다 또한, 혼합기는중간주파수인 와국부발진주파수 를입력으로하여두신호주파수의차주파수인무선주파수 를출력으로하는 3포트회로망으로비선형소자와대역통과필터, 그리고고역및저역통과필터로구성된다 중간주파수신호와국부발진기주파수신호가입력되면비선형소자의혼합기능에의해 Fig3 과같이출력된다 [6,7] [Fig 3] Mixer Ciruit 식 3 에서보는바와같이정재파비 VSWR 는진행 300

개선된주파수상향변환기에관한연구 파가어떤경계면을기준으로반사되어돌아오는파와합쳐지면서발생한정지된파를의미한다 정재파비는입력면의정재파에서의최소값과최대값의비로서정재파의크기가 1일경우반사파가존재하지않는다는것을의미하며반사파의크기가크다면정재파비는무한대가된다 3

3 개선된주파수상향변환기에관한연구 파가어떤경계면을기준으로반사되어돌아오는파와합쳐지면서발생한정지된파를의미한다 정재파비는입력면의정재파에서의최소값과최대값의비로서정재파의크기가 1일경우반사파가존재하지않는다는것을의미하며반사파의크기가크다면정재파비는무한대가된다 3 시뮬레이션에서도출된소자값들을기준으로하여회로를제작하였으며측정과정에서원하는파형및이득반사손실값을얻기위해튜닝작업을시행하였다 Fig 5 는실험을통해얻은최종소자값으로설계한회로이다 Fig 5b 에서보는바와같이 에서 의이득을갖는다 또한차단주파수의 2배가되는지점을확인했을때기준치가 이하임을확인할수있다 Fig 5 에서보는바와같이반사손실은 로측정되었으며이는통상적인기준인 이하의조건을만족함을알수있다 3 실험및고찰 31 필터의모의실험및설계 필터제작을위한커패시터와인덕터는 Size160 Chip 인덕터와 Size160Chip 커패시터를사용했다 단 위는 mm 이며,16 은가로길이,0 은세로길이를의미한 다 필터의실험은 Anritsu 사의 MS4623B 회로망분석기 NetworkAnalyser 를사용하여측정하였다 기본대역시스템에서 의주파수의신호가미약하여증폭기를통해신호를증폭해주게되는데이때잡음또한같이증폭되기된다 이불요파는저역통과필터를사용하여제거하게된다 Fig4 는차단주파수가 인저역통과필터를 RF-Sim 프로그램을이용하여시뮬레이션한결과이다 b [Fig 5] Experiment Result Element Value b Gain Refletion Loss b [Fig 4] Simulation Result Cut-off Frequeny : Element Value b Simulation Result 혼합기출력주파수인, 및 주파수중 주파수만통과시키기위하여대역통과필터를설계하였다 이필터는주파수상향변환기에서보내온신호를원하는주파수대역으로변환시켜입력신호로사용하기위해제작하였다 7 차저역통과필터와 7차고역통과필터를병렬로합성하여대역통과필터를설계하였다 Fig6 은시뮬레이션을통해얻은소자값을원하는파형, 이득및반사손실을얻기위해튜닝한후측정한결과값이다 Fig6b 에서보는바와같이고역통과필터 에서의이득은 이며저역통과필터에서차단주파수 에서이득은 를얻을수있었다 301

한국산학기술학회논문지 제15권 제5호, 2014 Fi g6 에서 보는 바와 같이 제 2고조파인 에 로 및 실험 측정 조건은 Fi g7 a, b및 에 보인 바와 서, 에서 임을 확 같다[ -1 0 ] 중간 주파수 발생 및 국부 발진용

7 1 B와 는 사양을 만족한다 MS4 6 2 3 B를 사용하였다 b b [Fig 7] Experiment Condition PADS b PCB Experiment Devie Condition 입력 주파수와 국부 발진 주파수를 혼합기에서

Gain 2 d Refletion Loss 에 대한 결과는 Fi g a 와 b 에 나타내었다또한, 보다 낮은 영역의 주파수 대역과 보다 높은 영역의 주파수 대역에서 불요파가 나타나지 않는 것을 확인함으로써 대역통과필터의 성능 32 전력레벨

실험에서 도출된 데이터의 소자값을 바탕으로 수 있다Fi g e 에서 보는 바와 같이 중심주파수가 실장한 후 디지털 계단형 감쇠기의 동작 및 전체 회로의,대역폭이 이고 이득이 동작 특성을 주파수 파형 분석기를 이용하여 측정하였다 임을

4 한국산학기술학회논문지 제15권 제5호, 2014 Fi g6 에서 보는 바와 같이 제 2고조파인 에 로 및 실험 측정 조건은 Fi g7 a, b및 에 보인 바와 서, 에서 임을 확 같다[ -1 0 ] 중간 주파수 발생 및 국부 발진용 발진기로 인할 수 있다Fi g6 d 에서 확인할 수 있듯이 반사손실 Agi l e nt,사의 N5 1 1 A를 사용하였으며 출력 신호의 전력 은 중심주파수에서 를 얻었으며 이는 원하 레벨을 측정하기 위하여 Anr i t s u 사의 MS2 7 1 B와 는 사양을 만족한다 MS B를 사용하였다 b b [Fig 7] Experiment Condition PADS b PCB Experiment Devie Condition 입력 주파수와 국부 발진 주파수를 혼합기에서 합성 한 후 출력되는 주파수는 각각 와 이며 불요파인 를 제거하고 신호 를 d 대역통과필터를 통과시킨 후 원하는 신호인 와 의 주파수를 검출하였으며 이 [Fig 6] Experiment Result Element Value b Gain 1 Gain 2 d Refletion Loss 에 대한 결과는 Fi g a 와 b 에 나타내었다또한, 보다 낮은 영역의 주파수 대역과 보다 높은 영역의 주파수 대역에서 불요파가 나타나지 않는 것을 확인함으로써 대역통과필터의 성능 32 전력레벨 조절이 가능한 주파수 상향변환 을 평가할 수 있는데 이는 Fi g 와 d 에 보인 바와 기의 설계 같다 그림에서 확인할 수 있듯이 와 전체 주파수 변환기의 실험은 앞절에서 설계한 필터 에서 불요파가 나타나지 않는 것을 확인할 및 증폭기 실험에서 도출된 데이터의 소자값을 바탕으로 수 있다Fi g e 에서 보는 바와 같이 중심주파수가 실장한 후 디지털 계단형 감쇠기의 동작 및 전체 회로의,대역폭이 이고 이득이 동작 특성을 주파수 파형 분석기를 이용하여 측정하였다 임을 확인하였다이는 설계하고자 하는 주파수 상향 변 PCB 기판은 유전상수 4 인 테프론 기판을 사용하였으 며 PADS9 0 1및 Or -Ca d1 6 0프로그램을 이용하여 회 환기의 성능 지표를 만족한다 로를 설계하였다최종 설계한 PADS데이터와 PCB회 302

개선된 주파수 상향 변환기에 관한 연구 b d b d [Fig 9] Experiment ResultVariable Gain Initial Value b d [Table 1] Frequeny Up-Converter Spe Spe Val ue Gai n Bandwi dt h e [Fig ] Experiment Result b d e orl e s s 4 결

5 개선된 주파수 상향 변환기에 관한 연구 b d b d [Fig 9] Experiment ResultVariable Gain Initial Value b d [Table 1] Frequeny Up-Converter Spe Spe Val ue Gai n Bandwi dt h e [Fig ] Experiment Result b d e orl e s s 4 결 론 상향 변환기의 출력값을 까지 조절하기 위하여 디지털 계단형 감쇠기를 이용하였다 이는 특정 시스템에 국한되지 않고 출력 주파수를 사용 하는 시스템에 맞도록 조절하기 위한것이며 감쇠기를 사 용하여 출력 레벨을 조절함으로써 범용으로 사용할 수 있도록 하기 위함이다Fi g9 는 최종 출력 주파수의 이득 을 의 스탭으로 조절하여 출력되는 이득을 나타 낸 그림이다Fi g9 에서 보인 바와 같이 의 차세대 무선통신 시스템은 음성 중심의 협대역 시스 템에서 초고속 대용량의 멀티미디어 데이터를 위한 광대 역 특성과 단일 단말기로 복합적이고 다양한 서비스를 구현할 수 있는 다중대역 특성을 갖는 시스템으로 발전 하고 있다통신시스템의 주요 블록인 RF전단부 또한 광대역 신호를 수신할 수 있어야 하며,동시에 낮은 전력 소모,소형 및 경량화를 구현할 수 있는 새로운 구조가 요구되고 있다또한,사용 주파수 대역이 점점 높아지고 중심주파수에서 특정 이득이 출력되는 것을 확인할 수 있다Ta bl e1 은 본 논문에서 제작하고자 하는 주파수 상 향 변환기의 성능지표이다 Ski r tpr ope r t y 있으며,특히 소형,광대역 또는 협대역,제작의 간편성, 적은 제작 단가의 특성을 갖춘 통과 필터를 필요로 하고 있으며 우수한 특성을 지닌 소형화된 무선통신용 필터 설계 연구가 발표되고 있다그러나 필터를 설계할 때에 무선통신 시스템들이 요구하는 대역의 고주파수로 변환 303

6 한국산학기술학회논문지제 15 권제 5 호, 2014 하더라도각각의시스템이원하는전력레벨이매번달라서그레벨에맞게다시증폭기와필터를이용하여다시설계해야하는어려움을겪고있는데이때전력레벨조절이가능한주파수상향변환기가필수적으로구성되어야한다 본논문에서는필터용집적회로를인덕터와커패시터를이용하여필터를제작함으로써저전력및저가격화를가능하게하였으며필터실험은회로의기본적인집적회로들과필터의기본소자값들을찾아 RF-Sim 프로그램을사용한시뮬레이션과의비교를실행한후, 회로망분석기를이용한측정을통해정확한소자값을구현하였고회로에증폭기, 감쇠기, 혼합기를 PCB 판에실장하였다 PCB 판은 PADS901 프로그램과 Or-Cad160 프로그램을사용하여제작하였다 혼합기의출력부분은최종적으로 의중간주파수와 의국부발진기주파수를통해,, 3 개의주파수가측정되었고다음단에서대역통과필터를통해 에 의전력레벨인무선주파수를얻고저역통과필터와증폭기, 무선통신용디지털계단형감쇠기를통해 에서 인무선주파수를얻을수있었으며스위치를조절하여무선통신용디지털계단형감쇠기를사용해 으로전력레벨을조절가능하게하였다 실험결과시뮬레이션을통해얻은데이터와실제실험을통해도출된데이터가비교적일치하는것을확인하였다 본논문에서설계한상향변환기는단일변환기로설계하였으나이중변환기로설계하거나스커트특성으로고려하여인덕터와커패시터를이용한필터의차수를고차로설계하면좀더정밀한주파수상향변한기를설계할수있을것이다 또한 PCB 의물리적크기는부품배치를상용화단계까지설계한다면크기를줄일수있으며회로를실드시킬경우외부의잡음및간섭에대해더욱안전성을나타낼것으로판단된다 [2] Hoon Nam, A Design and Fabriation of Bandpass Filter using Miniaturized Square SIR, Chonnam National University, Graduate Shool of Eletroni Engineering, Feb 2002 [3] Gyu-Bok Lee, RF modules and RF-IC tehnology trends, Wireless ommuniation omponents Researh Center, Korea Eletronis Tehnology Institute [4] Byung-Man Min, Design and Implementation of the UP/Down Converter with Improved LO- to-rf Isolation, Kwangwoon University, 2004 [5] Chris Bowik, "RF Ciruit Design", Butterworth Heinemann, pp7-9, pp , 2007 [6] Sung-Ho Kim, Study on 24GHz RF reeiver front-end design, Graduate Shool of Eletroni Engineering, Inha University, 2003 [7] Hyun-Goo Kim, Down Converter Blok with Improved IMD for Ku-Band LNB Appliation, Department of Eletroni engineering Graduate Shool Kwangwon University, 2002 [] Sang-Hyun Yoon, Kyung-Tee Kim, Jun-Hyung Jeun, Han-Soo Kim, PADS for PCB designers 2007 Load publisher, 2009 [9] Jung-Gyu Kim, Kyung-Hee, Bang, Anyone PCB design, easy-to-follow PADS 90 Edition, North Star Publishing Company, 2010 [10] Jung-Chul Lee, OR CAD PCB DESIGNER VER 160, Global Publishing Company, Feb 2009 이승대 Seung-DaeLee [ 정회원 ] < 관심분야 > 정보통신, 유무선통신, 정보보호 1992 년 2 월 : 단국대학교대학원전자공학과 공학석사 1999 년 월 : 단국대학교대학원전자공학과 공학박사 1995 년 4 월 ~ 현재 : 남서울대학교전자공학과교수 Referenes [1] Min-Ho Go, Seung-hul Pyo, Hyo-dal Park, Study on the Broadband RF Front-End Arhiteture, Korea Eletronis and Tele- ommuniations Engineers, Vol4 No3,

7 개선된주파수상향변환기에관한연구 신현용 Hyun-YongShin [ 정회원 ] 191 년 2월 : 연세대학교대학원전기공학과 공학석사 197 년 2월 : 루이지내나주립대학교대학원전기및컴퓨터공학과 공학박사 197 년 월 ~ 1993 년 5월 : 플로리다주립대학교전기공학과조교수 1994 년 9월 ~ 현재 : 남서울대학교전자공학과교수 < 관심분야 > 전자재료, 반도체공정, 센서및센서응용 305

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<343520C0CCBDC2B4EB2DC0A7BCBA20C5EBBDC5BFEB20C1D6C6C4BCF620C7CFC7E22E687770> Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 2 pp. 801-807, 2012 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.2.801 위성통신용주파수하향변환기의설계및제작 이승대 1*, 나상엽 2 1 남서울대학교전자공학과, 2 남서울대학교컴퓨터학과