위성 통신의 더 높은 주파수 요구 사항을 충족하기 위한 신소재 대역 통과 필터

위성 통신(satcom)은 더 많은 대역폭과 처리량을 위해 더 높은 주파수 대역으로 옮겨가고 있습니다. 기존 L(1GHz ~ 2 GHz), C(4GHz ~ 8GHz), X(7GHz ~ 11GHz) 대역의 대역폭이 빠르게 소진되고 있어서 설계자들은 Ku 대역(12GHz ~ 18GHz) 및 그 이상의 덜 혼잡한 영역으로 눈을 돌리고 있습니다. 엔지니어들은 더 나은 satcom 성능을 위해 노력하고 있지만 민간 사업가들은 우주선의 경량화 및 소량화에 힘쓰고 있습니다.

그림 1: 지구 궤도가 혼잡해지고 있기 때문에 엔지니어들은 다른 위성의 전파 방해를 피하고자 더 높은 주파수 대역을 찾고 있습니다. (이미지 출처: Knowles DLI)

satcom 시스템의 핵심 요소는 RF 신호 수신과 동보 통신에 사용되는 안테나 어레이입니다. 어레이의 각 소자는 미니 안테나 같은 역할을 합니다. 안테나 어레이는 더 높은 이득, 더 우수한 신호 대 잡음비(SNR)와 향상된 다이버시티 수신을 비롯한 성능 향상을 가져오기 때문에 기존의 포물선형 위성 안테나를 상당수 대체했습니다. 향상된 다이버시티 수신은 신호 페이딩을 극복하는 데 도움이 됩니다. 또한 안테나 방사 패턴의 측면 돌출 부위(측면 로브)가 작을수록 전송 빔의 조향성과 특정 방향에서 들어오는 수신 신호에 대한 감도가 향상됩니다.

최신 안테나 어레이는 성능을 더욱 향상시키기 위해 위상 변이를 사용합니다. 이전에는 인공위성이 궤도에서 이동할 때 빔 전송을 리디렉션하기 위해 안테나 어레이를 기계적으로 재조정해야 했습니다. 이제 위상 어레이 안테나는 각 안테나 소자 간의 컴퓨터로 계산된 위상차를 이용해 송신하여 개별 소자의 전송에 보강 간섭을 유도하고 특정 방향의 신호를 강화합니다.

성능 향상뿐만 아니라 더 높은 주파수 작동과 위상 어레이는 안테나를 축소하고 경량화할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 이런 지원들이 통신 위성의 크기, 무게, 전력('SWaP') 감소를 주도하고 있습니다.

위상 안테나의 어레이에서 어레이 소자의 간격은 작동 주파수 파장의 절반보다 작아야 합니다. 주된 이유는 안테나 전송 패턴에서 전력을 낭비하는 측면 로브인 소위 격자 로브를 피하기 위함입니다. 더 높은 주파수는 파장이 더 짧아지는 특징이 있습니다. 예를 들어, L 밴드의 중심 파장은 300mm인 반면 Ku 밴드의 중심 파장은 20mm이므로 후자의 각 소자 사이의 간격이 더 좁습니다. 그리고 기계식 조향 시스템을 제거하면 안테나에서 더 많은 부피가 줄어듭니다.

satcom의 중요한 부품인 대역 통과 필터

대역 통과 필터는 satcom 응용 제품에서 스퓨리어스 신호를 완화하고 전파 방해 규정 준수를 충족하며 시스템 노이즈를 최소화합니다. 위상 안테나 어레이에서는 공간 제약, 고주파수 작동, satcom 시스템의 고속 통신 가능성을 구현하기 위한 정밀 필터링의 필요성으로 인해 어려운 일입니다.

엔지니어는 필터의 성능을 확인하기 위해 소자의 Q 계수를 살펴봅니다. Q 계수는 솔루션이 원하지 않는 주파수를 잘 차단하고 목표 주파수는 잘 통과시키는지를 나타냅니다. 인접 채널이 서로 가까이 있는 환경, 특히 설계자가 사용할 수 있는 대역폭을 최대한 사용하려고 할 때 우수한 분리 감도는 매우 중요합니다.

Ku 대역에서 satcom 바이패스 필터링을 위한 몇 가지 입증된 상용 옵션이 있습니다. 선호하는 옵션으로는 유전체 도파관, 금속 도파관, PC 기판 스트립 선로, 저온 공소성 세라믹(LTCC), 세라믹 박막 마이크로스트립이 있습니다. 각각 장단점이 있습니다. 예를 들어 금속 도파관은 70GHz 이상의 주파수에 가장 적합한 옵션이지만 부피가 크고 비쌉니다. 유전체 도파관은 소형이지만 최대 30GHz에서 작동하고 주파수 허용 오차(원하는 주파수에 대한 편차 측정)가 상대적으로 좋지 않습니다.

세라믹 바이패스 필터의 박막 마이크로스트립은 Ku 대역에서 작동하는 위상 안테나 어레이를 위한 최고의 만능 솔루션을 제공합니다. 매우 높은 주파수(금속 도파관에 이어 두 번째)에서 작동할 수 있고 가장 적합한 주파수 허용 오차 범위는 0.3% ~ 0.5%로 가장 높으며 두 번째로 작은 크기를 갖는 LTCC의 절반도 안 되는 크기입니다. 또한 PC 기판 스트립 선로, LTCC와 함께 안테나의 어레이 소자 바로 뒤에 통합할 수 있습니다.

신소재 과학이 답입니다

유전체 선택은 세라믹 바이패스 필터의 마이크로스트립 성능에 매우 중요합니다. 전통적으로 소형 필터에서 높은 Q 계수를 달성하기는 매우 어려웠지만 현대에는 유전체 상수('K')가 높은 소재로 이러한 문제를 해결했습니다. 이 소재의 단점으로는 빈약한 주파수 허용 오차를 보이는 경향이 있습니다. 특히 온도 변화가 심할 때 두드러집니다. 넓은 온도 변화를 보장하려면 진공 상태의 공간이 필요합니다.

이 대목에서 Knowles DLI의 과학자들이 등장합니다. Knowles DLI는 신소재 개발 이력을 가지고 있으며 K가 높은 유전체의 단점을 극복한 세라믹 바이패스 필터의 마이크로스트립용 유전체를 생산했습니다. 이 회사는 해당 유전체를 사용하여 넓은 온도 범위에서 주파수 허용 오차 범위가 좁은 소형 소자 제품군을 제조했습니다. 이 유전체는 효율을 개선하고 온도 안정성을 돕는 낮은 전력 손실이라는 추가 이점도 가지고 있습니다.

Ku 밴드 작동에 적합한 필터 제품군의 예로는 B148QF0S 15GHz 대역 통과 필터가 있습니다. 이 소자는 크기가 14mm x 3.8mm x 2.5mm에 불과하여 Ku 대역 안테나 어레이 소자가 갖는 좁은 반 파장 간격 제약에 적합합니다.

자동 조립이 가능한 표면 실장 패키지로 공급되며 기존의 칩과 전선 또는 하이브리드 접근 방식 satcom 조립품에 비해 생산 비용도 저렴합니다. 또한 SMD 조립품은 출시 시간을 단축할 수 있습니다. 이 제품의 또 다른 장점은 박막 제조가 반복할 수 있는 동작으로 이어지므로 소자를 추가 조정할 필요가 없다는 것입니다.

이 필터는 실제 대역폭(f_H - f_L로 정의됨, f_L은 저주파 -3dB 차단, f_H는 고주파 -3dB 차단) 19.2GHz - 11.4GHz = 7.8GHz에서 우수한 분리 감도를 나타냅니다. 그에 비해 공칭 Ku 대역폭은 18GHz - 12GHz = 6GHz입니다. 저주파와 고주파 차단 후 주파수 응답이 로우사이드 또는 하이사이드 제거 지점(B148QF0S의 경우 -40dB)에 도달할 때까지 얼마나 빠르게 감소하는지 주목해야 합니다. 우수한 구분 감도 수치는 10배수 단위당 15dB ~ 20dB의 변화율입니다. Knowles DLI 대역 통과 필터의 경우 10배수 단위당 약 15dB입니다(그림 2).

그림 2: 세라믹 대역 통과 필터에서 B148QF0S 마이크로스트립의 주파수 응답. satcom Ku 대역 작동을 위해 설계된 이 소자는 15GHz의 중심 주파수와 7.8GHz의 대역폭이 특징입니다. (이미지 출처: Knowles DLI)

미래에 대비한 경쟁력

시간이 지나면 Ku 대역도 혼잡해질 것입니다. 엔지니어들은 이미 이러한 이유로 K 대역(18GHz ~ 26GHz)과 Ka 대역(26GHz ~ 40GHz)용 satcom 시스템 설계를 시작했습니다. 즉 Ku 대역 위상 안테나 어레이에 대한 대역 통과 필터 개발을 주도해온 SWaP 요구 사항이 증가할 것임을 의미합니다. 다행인 것은 세라믹 대역 통과 필터의 프로토타입 마이크로스트립이 최대 70GHz까지 작동하는 것으로 나타났으며 최대 40GHz까지 다룰 수 있는 상용 소자가 이미 출시됐다는 점입니다. 따라서 이 제품은 현재뿐 아니라 미래의 첨단 satcom 응용 분야에도 적합한 솔루션입니다.

결론

Knowles DLI의 K가 높은 유전체 소재에 대한 연구를 통해 설계자가 Ku 대역의 요구 사항을 충족할 수 있는 Q 계수가 높은 대역 통과 필터를 개발했으며 부가적으로 저전력 손실, 효율성 개선, 온도 안정성 지원이라는 이점도 있습니다. Ku 밴드가 혼잡해지기 시작하면서 그 돌파구로 K 대역과 Ka 대역으로 전환하는 작업이 시작되었습니다. 때마침 등장한 이 신소재는 프로토타입이 최대 70GHz까지 작동하는 등 더 높은 주파수에 적합합니다.