Earticle

본 연구에서는 국내 T-DMB 방송 송신기 및 중계기에서 사용하는 공동여파기를 설계하고 제작한다. 설계를 위하여 3차원 field 시뮬레이션 툴인 HFSS를 이용한다. T-DMB 여파기는 Q값이 높아야 하고 대전력인 이유로 공동여파기가 주로 사용되고 있다. 본 연구에서는 공동공진기의 설계를 보다 쉽고 정확한 특성을 얻기 위하여 HFSS를 이용한다. 시뮬레이션된 특성을 바탕으로 여파기를 제작하고 특성을 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교한다. 측정한 결과 공진주파수 211.8MHz에서 대역폭 0.1MHz의 특성을 얻음으로써 시뮬레이션 결과와 설계치에 잘 부합되었음을 밝힌다.

In this study, we design and implement a cavity filter for the Korea T-DMB broadcasting transmitter station and repeater system. HFSS 3 dimensional field simulation tool is used for this study. T-DMB filter has to be high quality factor Q, and cavity filter is applying in T-DMB system due to high handling power. We use HFSS simulation tool for design to obtain exact resonant frequency with easy design. A cavity filter is implemented based on the simulated results, and test results are compared with simulations. Measured resonant frequency and bandwidth are 211.8MHz and 0.1MHz, and correspond with design values.

본 논문에서는 지상에서 시험 중에 발생한 X-대역 원통형 도파관 캐비티 필터의 방전을 소개하고, 원인 분석을 위하여 수행한 전자 장 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 초과 하는 전력이 필터에 입력되었고 이에 따라 강한 전계가 발생하고 온도가 급격히 상승하여 전기적인 단락으로 이어진 것으로 파악되 었다. 추가적인 분석 결과 이 방전은 실제 운용궤도에서는 발생할 가능성이 낮고, band edge 주파수가 필터에 입력되더라도 멀티팩 터(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.

In this paper, a mircrowave breakdown of X-band circular waveguide cavity filter, which occurred during ground test, was introduced, and electro-magnetic field simulation results to identify a root cause, and the analysis of possibility of its occurrence on orbit operation were presented. Filter modeling for simulation was conducted with a commercial tool (FEST3D), and electric fields inside the filter were monitored at the input of 1 W continuous wave. In our observation, strong electric field intensities were monitored on the tuning screws especially at the input of band-edge frequencies. The threshold power levels for the breakdown were also estimated and compared with the input power levels actually injected to the filter. From this estimation, we could figure out that the power exceeding the breakdown threshold was injected to the filter so that strong electric fields were generated and temperature increased high, and this became a root cause of the electrical short. Our further analysis showed that this kind of microwave breakdown is not likely to occur on orbit operation, and multipactor is expected not to occur at the input of band-edge frequencies. As a measure to prevent the microwave breakdown, we suggested to avoid the injection of band-edge frequencies and inject lower power levels to the filter.

본 연구에서는 국내 T-DMB 방송 송신기 및 중계기에서 사용하는 공동여파기를 설계하고 제작한다. 설계를 위하여 3차원 field 시뮬레이션 툴인 HFSS를 이용한다. T-DMB 여파기는 Q값이 높아야 하고 대전력인 이유로 공동여파기가 주로 사용되고 있다. 본 연구에서는 공동공진기의 설계를 보다 쉽고 정확한 특성을 얻기 위하여 HFSS를 이용한다. 시뮬레이션된 특성을 바탕으로 여파기를 제작하고 특성을 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교한다. 측정한 결과 공진주파수 211.8MHz에서 대역폭 0.1MHz의 특성을 얻음으로써 시뮬레이션 결과와 설계치에 잘 부합되었음을 밝힌다.

In this study, we design and implement a cavity filter for the Korea T-DMB broadcasting transmitter station and repeater system. HFSS 3 dimensional field simulation tool is used for this study. T-DMB filter has to be high quality factor Q, and cavity filter is applying in T-DMB system due to high handling power. We use HFSS simulation tool for design to obtain exact resonant frequency with easy design. A cavity filter is implemented based on the simulated results, and test results are compared with simulations. Measured resonant frequency and bandwidth are 211.8MHz and 0.1MHz, and correspond with design values.

본 연구에서는 국내 T-DMB 시스템에서 대역통과필터 기능을 수행 하는 cavity 필터를 설계하고자 HFSS 툴을 사용하여 그 특성을 시뮬레이션 하였으며, 이를 활용하여 필터를 제작하여 측정한 특성을 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 전자계 3D 시뮬레이션 Tool인 HFSS를 사용하여 cavity 필터를 시뮬레이션 하는 것은, 실제로 필터를 제작하기 전에 성능을 미리 점검함으로서 최적화된 모델을 구축하여 시간과 비용을 최대한 절약할 수 있도록 하는 것이다. 원통형 도파관의 특성을 파악하여 필터의 최적의 조건들을 얻도록 연구하였으며, 이를 바탕으로 HFSS 시뮬레이션 및 제작을 하여 특성을 측정하여 설계값과 비교하였다.

In this study, cavity filter performing BPF function in Korea T-DMB system was designed by using of HFSS simulation tool, and we compared measured results with the simulated data. By simulation of HFSS that is magnetic and electric 3D simulating tool, we can save time and money maximumly by checking performances before actual filter implementation. Optimum conditions for the cavity filter were delivered based on the cylindrical waveguide characteristics. Measured results by implementation were compared with the simulation data.

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 ± 60 MHz 지점에서 최소 19.974 dB와 최대 37.812 dB로 측정되었다.

In order to satisfy user's requirements of needs for various services and to efficiently use of frequency, a communication system using one platform can support many communication services. Tunable filters must be used in the front end of broadband communication systems which provide and support various communication methods. In this paper we design and implement a filter bank to verify the feasibility of cavity tunable filter with the operation frequency of 800 MHz ~ 1600 MHz. The filter bank is composed of five bandpass filters and each bandpass filter has the same operation frequency band of the tunable filter. The implemented filter bank has the maximum insertion loss of 0.326 dB, the bandwidth of 37 MHz ~ 84 MHz, and the attenuation of minimum 19.974dB and mximum 37.812dB at the band edge ± 60 MHz over the operating frequency band.

본 연구에서는 무선부품의 일종인 cavity filter 금형을 제작하였고, 도금용 ARS 수지와 PC/ARS Alloy 수지를 사용하여 일반사출성형과 금형온도가 높은 MmSH방식, 두 타입으로 성형품을 제작하였다. 성형품의 수축률 변화는 MmSH 방식일 때 ABS 수지로 제작한 성형품의 단위캐비티 격막부분에서 수축률이 감소되었다. 중량변화는 ABS와 PC/ABS Alloy로 제작된 성형품 모두 MmSH 방식일 때 증가하였고. 성형품의 표면 거칠기도 모두 MmSH 방식일 때 거칠기가 감소되었다.

본 논문에서는 기계식 스위치를 이용한 1.5 GHz 대역 고출력 Cavity 기반 튜너블 필터를 설계하고 제작하였다. 불요파를 제거하기 위해 저역통과필터를 삽입하고, 출력을 추출하기 위해 Coupler를 내장하였으며, 고출력에 적합한 기계식 스위치를 사용하여 튜너블 필터의 시스템을 구성하였다. 저역통과필터는 4~12.75 GHz까지 40 dB 이상의 감쇄 특성을 얻었고, Coupler는 40 dB의 Coupling Value와 55 dB 이상의 Coupling Isolation을 얻었다. 제작된 기계식 스위치를 사용한 튜너블 필터 시스템은 1,495.9~1,510.9 MHz Bypass Mode에서 0.88 dB, 1,495.9~1,500.9 MHz Fil Mode에서 3.29 dB의 삽입손실 특성 및 중심주파수 1,498.4 MHz에서 132 W의 출력전력과 10 ms 이하의 스위칭 절환속도를 얻었다.

In this paper, the tunable filter based on high power cavity using mechanical switch for 1.5 GHz band is presented. The LPF is inserted to eliminate the spurious wave, coupler is embeded to extract the output power, and then the tunable filter system is configured using mechanical switch. The LPF obtains attenuation over 40 dB between 4 GHz and 12.75 GHz, Coupler is satisfied with coupling value 40 dB and coupling isolation over 55 dB. The tunable filter system using mechanical switch obtains insertion loss 0.88 dB at bypass mode between 1,495.9 MHz and 1,510. 9 MHz, 3.29 dB at fil mode between 1,495.9 MHz and 1,500.9 MHz. It is also satisfied with output power of 132 W at the center frequency 1,498.4 MHz, and switching time below 10 ms.

A proper equivalent circuit model for coupling iris has been derived in order to compensate the length of cavity in a $TE_{011}$ mode cylindrical cavity filter. A method to resolve the difference in bandwidth and feature or ripple systematically has been proposed. This method can be applied to other types of waveguide cavity filter.

We present an all-fiberized power-scalable, sub-nanosecond mode-locked laser based on a frequency-shifted-feedback ring cavity comprised of an erbium-doped fiber, a downshifting acousto-optic modulator (AOM), and a bandpass filter (BPF). With the aid of the frequency-shifted feedback mechanism provided by the AOM and the narrow filter bandwidth of 0.45 nm, we generate self-starting, mode-locked optical pulses with a spectral bandwidth of ~0.098 nm and a pulsewidth of 432 to 536 ps. In particular, the output power is readily scalable with pump power while keeping the temporal shape and spectral bandwidth. This is obtained via the consolidation of bound pulse modes circulating at the fundamental repetition rate of the cavity. In fact, the consolidated pulses form a single-entity envelope of asymmetric Gaussian shape where no discrete internal pulses are perceived. This result highlights that the inclusion of the narrow BPF into the cavity is crucial to achieving the consolidated pulses.

A high angular tolerance spectral filter was realized incorporating an etalon, which consists of a $TiO_2$ cavity sandwiched between a pair of Ag/Ge mirrors. The effective angle was substantially extended thanks to the cavity's high refractive index. The device was created by embedding a 313-nm thick $TiO_2$ film in 16-nm thick Ag/Ge films through sputtering, with the Ge layer alleviating the roughness and adhesion of the Ag layer. For normal incidence, the observed center wavelength and transmission were ~900 nm and ~60%, respectively; throughout the range of $50^{\circ}$, the relative wavelength shift and transmission variation amounted to only ~0.06 and ~4%, respectively.

Based on the extended nonlinear Schr$\ddot{o}$dinger equation, the influences of the filter effect on pulse splitting in a passively mode-locked erbium-doped fiber laser with positive dispersion cavity are investigated theoretically. Numerical results show that, as the bandwidth of the spectral filter decreases, the nonlinear chirp appended to the pulse increases under the combined action of the filter effect of the super-Gaussian spectral filter and the self-phase modulation effect. On further decreasing the bandwidth, the wave breaking of the pulse takes place. In addition, by varying the pump power of the laser or the profile of the spectral filter, the influences of the filter effect on pulse splitting also change accordingly.

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.

In this paper, we designed and implemented a cavity bandpass filter combined with a cross-coupling equalizer structure to enhance Group delay for 5G mobile network repeater, which can replace the SAW (Surface Acoustic Wave) type bandwidth filter used in the existing mobile communication system. Using the 3D EM simulation tool (HFSS), the resonance frequency, the coupling coefficient between resonators, and external quality coefficient between resonators were calculated. Based on this, a 12th bandpass filter was constructed to have attenuation characteristics of more than 20dB at the edge end of both sides of the band with a metal cavity structure with a frequency band of 3500MHz to 3600MHz and bandwidth of 97.85MHz. The designed bandpass filter satisfies the group delay time requirement for the 5G mobile communication standard and the in-band and out-band frequency responses.

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.

In this paper, we presented the result of the study on high-power handling capability of the X-band circular waveguide cavity filter configured at the output of high power amplifier(120 W) for geostationary satellites. The dual mode circular waveguide cavity filter with 6th order is selected and the physical model of the filter is designed after determination of the size of resonator from mode chart. Multipactor margin analysis is performed by the SEM method and the VMF method. The result shows that the VMF method predicts lower multipactor breakdown thresholds than the SEM method. Evaluating the multipactor margin obtained by the VMF method to ECSS criteria, we could decide to perform multipactor test. The multipactor test conducted in ESA facility shows that multipactor did not occur even until the RF power increased up to 540 W. In consequence, by both analysis and test, we could verify that the X-band circular waveguide cavity filter has the sufficient high-power handling capability to operate on orbit.

체비셰프 삽입손실법을 이용하여 선택도가 높은 대역 여파기를 설계한다. 체비셰프 방식은 차단주파수 근방 곡선의 경사가 버터워쓰에 비해 급격하게 떨어지는 특징을 가진다. 인접 채널의 간섭을 최소화 하기위해 차단 대역의 감쇄를 70db이상으로 유지한다. 중심주파수는 885MHz에서 통과대역폭 10MHz의 여파기를 제작하였다.

A cavity delay filter module for IMT-2000 LPA has been developed with 0.9dB insertion loss, 0.1dB/0.6$^{\circ}$ gain/phase flatness. Broadband signal cancellation of the module has been simulated using the measured S parameter, and gain, phase and group delay have been matched to satisfy the signal cancellation of the module. In the experiment, the value of designed parameters are used and 40dB signal cancellation has been obtained over 100MHz bandwidth. Also the sampling cancellation has been shown to be the similar performance of the feedforward output cancellation.

본 논문에서는 IMT2000 중계기에 사용될 수 있는 대역통과 필터를 도파관 구조를 갖는 콤라인 형태의 공진기를 사용하여 설계하였다. 공진기 사이의 결합은 필터의 크기를 작게하기 위하여 공진기 사이의 벽에 슬롯을 이용하여 구현하였다. 5개의 공진기는 동일한 구조를 가지고 있으며 입 출력부분은 최소 임피던스가 되도록 최적화 시켰다. 대역통과 필터 특성은 0.2dB 리플을 갖는 체비세프 함수를 이용하였으며 시뮬레이션 툴을 이용하여 해석한 결과 설계 조건을 만족하였다.

In this paper, Filter could use to IMT2000 repeater using resonator of Comb-line form that has waveguide structure and designed. Coupled resonators designed using slot in wall between resonators to compact. 5-stage resonators have equal structure and input and output part was optimized to get into minimum impedance. Band pass filter characteristic satisfied design condition as result that used Chebyshev function that have 0.2 dB ripple and analyze using simulation tool.

본 논문에서는 새로운 변형된 동축 공동 공진기를 제안하고, 대역통과 여파기를 설계한다. 제안된 공진기는 하나의 캐비티 내부에 ${\Gamma}$-형 또는 곡선형의 4개의 접지된 도체 포스트로 구성되어 있다. 일반 동축 공동 공진기 여파기와 달리 도체 벽이 없기 때문에 공간 효율이 개선되어 품질계수가 약 15 % 이상 향상되며, 동일한 품질계수 대비 35 % 이상의 크기 소형화가 가능하다. 또한, 인접하지 않은 공진기와 입출력 교차결합을 통해 4개의 조절 가능한 전송영점이 생성되어 차단대역의 감쇄특성을 향상시킬 수 있다. 제안된 여파기와 설계법은 모의실험과 제작 및 측정을 통해 검증되었다.

This paper presents a novel modified coaxial cavity resonator and its application to bandpass filters with compact size and improved quality factor(Q-factor). The proposed resonator is made up of ${\Gamma}-shape$ or curved four inner conductive posts within a single cavity, which provides quadruplet to realize bandpass filter. No metallic walls inside the cavity are required, and thus the utilization efficiency of the cavity space is improved. As a result, the unloaded Q can be approximately 15 % higher in comparison to the conventional coaxial resonator, or more than 35 % volume saving can be achieved while maintaining the similar Q-factor value with the conventional designs. In addition, due to the multiple cross-coupling occurring within the cavity, including the source-to-load coupling, four flexible transmission zeros can be created to realize different filtering functions. Simulations as well as experimental results of four- and eight-pole filters are presented to validate this attractive design concept. Good agreement between measured and computed results is obtained.

유전체가 삽입된 공동 공진기는 유전체에 대부분의 전자계가 집속되어 있기 때문에, 도체 손실이 매우 적고 높은 Q값과 온도 안정성이 뛰어나다. 동일한 주파수에서 동작하는 다른 필터에 비해 상대적으로 작기 때문에 소형화에도 적합하다. 본 논문에서는 유전체가 삽입된 공동 공진기의 전자기 분포와 특성을 수치해석과 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 이용하여 분석하였고 이 결과를 토대로 HFSS를 이용한 순차적 방법을 도입하여 4-pole 이중모드 대역통과 필터를 설계, 제작하였다.