이동통신 기지국 RF필터 소형화를 위한 세라믹 공진기설계에 관한 연구

Abstract

이동통신의 기술은 음성 위주의 1세대 통신인 AMPS (Advanced Mobile Phone Service)에서부터 4세대 통신 LTE-A (Long Term Evolution -Advanced)의 디지털 멀티미디어 중심의 통신까지 발전하여왔다. 이동통신 기술의 발전은 사용자와 단말기의 증가로 이어졌고, 이는 트래픽의 폭발적 증가로 이어졌다. 시스코의 보고서에 따르면 트래픽은 연평균 22% 이상 증가하는 것으로 보고되고 있다. 차세대 이동통신 기술인 5세대 이동통신에서는 많은 사용자와 높은 트래픽을 처리하기 위하여 기존 4세대보다 수용량 및 속도, 응답속도 등에 훨씬 높은 규격을 만족해야 하는 상황이다. 이에 따라 기지국의 구성형태는 기존의 매크로 기지국 하나로 많은 지역을 수용했던 방식이 아닌 이종네트워크 (HetNet : Heterogeneous Network) 방식의 기지국 구성형태로 변화되어 기지국의 구성에서 중소형 기지국의 필요성이 높아졌다. 중소형 기지국을 사용하게 됨에 따라 기지국 내의 부품도 중소형 기지국에 맞게 개발돼야 한다. 기지국에 사용되는 RF필터의 소형화를 위한 방법은 기존 제품의 구조 형태를 개선하여 제품의 구조 형태를 최적화하는 방법과 제품의 재질을 변경하는 방법 등 여러 요소에 따른 개선 방안이 존재한다. 그러나 그 방법들에 대해서는 한계가 있으며, 구조 형태를 최적화하는 방식에서는 소형화할 수 있는 크기의 한계가 있다. 세라믹을 사용한 소형화 방법은 특성이 기존 금속 캐비티 필터보다 매우 나쁜 특성을 갖는 한계가 있다. 본 연구에서는 이동통신 기지국에서 사용되는 RF(Radio Frequency)필터를 소형화하기 위하여 세라믹을 사용한 공진기를 이용하여 필터를 설계 제작한다. 제작된 필터는 기존 금속 캐비티 필터와 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)과 비교를 통하여 그 타당성을 검증하였다. 제작한 필터의 주파수 대역은 800MHz(Cellular) 대역과 2100MHz (WCDMA) 대역에 대해서 설계 진행하였으며, 기존 금속 캐비티 필터와 LTCC 필터와 RF특성 및 물리적 크기를 비교 분석하였다. 본 연구를 통해 제작한 세라믹 기반 캐비티 필터와 기존 금속 캐비티 필터 및 LTCC 필터와 비교한 결과 기존 금속 캐비티 필터 대비 절반 이하로 소형화되었으며, LTCC 필터의 RF특성보다 삽입 손실의 경우 2.4dB, 감쇄 특성 30dB 가량 개선된 것으로 분석되어, 기존 금속 캐비티 필터보다 소형화되고, LTCC 필터보다 우수한 특성을 갖는 소형화된 RF필터를 제작하여, 제작된 필터는 중소형 기지국에 적용 가능할 것으로 판단된다.|The mobile communication has evolved from the Fisrt Generation, Advanced Mobile Phone Service(AMPS), to the Fourth Generation, Long Term Evolution-Advanced(LTE-A), which is the basic technology for multimedia service in mobile environment. Those enhancement of mobile communication technology has led an increase of users and mobile devices, which caused an explosion of data traffic. According to Cisco reports, data traffic has been increasing more than 22 percent in average annually. The Fifth Generation mobile communication, which is the next generation mobile communication technology, is required to satisfy much higher specifications such as capacity, speed, and shorter response time than the existing fourth generation in order to handle a large number of users and high data traffic. Accordingly, the configuration of the base station is changed from a conventional macro base station to a configuration of a base station of a heterogeneous network (HetNet) scheme instead of a conventional one. As a result, the necessity of small and medium-sized base stations has increased in the configuration of the base station. As small and medium-sized base stations are used, the parts in the base stations should be developed for small and medium-sized base stations. Regarding to a method for miniaturization of the RF filter used in the base station, there is an improved method according to various factors such as a method of optimizing the structural form of the product and a method of changing the material of the product by improving the structure of the existing product. However, there is a limit to the methods, and there is a limit to the size that can be miniaturized in the method of optimizing the structural form. The miniaturization method using ceramics has a limitation in that the characteristics are much worse than those of conventional metal cavity filters. In this study, a filter is designed and fabricated using a ceramic resonator to minimize the size of an RF (Radio Frequency) filter used in a mobile communication base station. The validity of the fabricated filter was verified through experimental comparison with conventional metal cavity filter and LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic). The frequency band of the fabricated filter was designed for 800MHz (Cellular) band and 2100MHz (WCDMA) band, and compared with the conventional metal cavity filter and LTCC filter. The comparison between the proposed ceramic cavity filter of this study and the conventional metal cavity filter and LTCC filter has revealed that the proposed filter has the half size of the conventional metal cavity filter and has the better characteristics than LTCC such as 2.4dB insertion loss improvement and 30 dB attenuation improvement. The proposed filter with the smaller size than the conventional metal cavity filter and better characteristics than LTCC would be possible to be adopted in the future small and medium sized base stations.