RF 회로개념 잡기 - PART 7 ▶ Duplexer/Diplexer

Filter를 복합적으로 이용한 회로들은 여러 가지가 있는데, 그중 가장 흔히 사용되는 것이 바로 듀플렉서(Duplxer)입니다. 또한 그것과 엇비슷한 개념의 Diplxer도 복합형 filter로서 널리 사용됩니다.

통신효율을 증가시키기 위한 중요 component의 하나인 이러한 duplexer에 대해 차근차근 이해해보고, 곁다리로 Diplexer도 이해해보도록 할까요? 비교적 쉬운 내용입니다. ^^

 

Multiplex & Duplex

여러 개의 신호가 공유되고 분배되는 경우는 Multiplex라는 말을 쓰게 됩니다. 하나의 선로를 통해 여러 신호를 보내고, 그것을 다시 모으거나 분배하는 부위를 Multiplexer라고 부르지요.

그중에서 하나의 경로를 두 개 신호가 공유할 때 Duplex란 말을 쓰게됩니다. 그리고 RF에서는 그 특성상 하나의 시스템에서 두 개의 신호라면 보통 송신신호수신신호의 두가지를 지칭하게 됩니다. 그렇다면, 하나의 전송선이나 안테나를 이용하여 송수신신호가 함게 공유하려면 어떻게 해야 할까요?
그것에는 크게 두가지 방법이 있습니다.

  ▶ (TDD) Time domain duplex
동일한 주파수를 가진 두 개의 신호를 시간차를 두고 송신신호와 수신신호가 교대로 같은 경로를 이용하게 하는 것입니다. 연속적인 통화가 있는 경우는 시간을 아주 잘게 쪼개서 송신과 수신 신호를 디지털 샘플링해서 보내고 받습니다. 대표적인 경우로는 시티폰이라 불리우던 CT-2 서비스가 있으며, 또한 유럽의 이동통신 방식인 GSM 역시 TDD방식의 진화된 형태인 TDMA를 사용합니다. Wireless LAN의 경우 역시 데이터를 송신하고 수신하는 것을 시간적으로 분할하는 TDD 방식이 이용되고 있습니다.

  ▶ (FDD) Frequency domain duplex
많은 이동통신 방식들은 송신 주파수와 수신 주파수를 다르게 사용하고 있습니다. CDMA나 AMPS가 대표적인 경우로서, 송신 주파수와 수신 주파수가 다르기 때문에 굳이 시간차를 두고 보낼 필요는 없습니다. 다만, 주파수가 다르다고 해서 서로 다른 두 개의 안테나를 쓰기엔 좀 거시기하겠죠? 안테나가 두 개달린 핸드폰을 들고다니긴 쩜.. ^^;

이렇게 FDD 방식에서 송신 주파수와 수신 주파수를 하나의 안테나에 공유하고자 할 때.. 이런 경우 송신단과 수신단, 그리고 안테나의 3단이 서로 섞이지 않고 원하는 대로만 흘러가도록 정리해주는 무언가가 필요합니다. 바로그것이 Duplexer 라는 넘입니다.

 

Duplexer가 하는일

일반적인 FDD방식의 통신 방식에서 송신-수신-안테나단을 연결하는 일을 합니다. 안테나입장에서는 송신단과 수신단 모두가 잘 연결되어야 할 텐데.. 송신단과 수신단이 서로 섞여서는 안되겠죠?
이렇게 같은 안테나를 이용하면서 송신단과 수신단을 분기하는 역할이 바로 Duplexer가 진짜 하는 일입니다.

송신단과 수신단이 서로 다른 주파수를 사용할 때, 송/수신단이 서로 다른 안테나를 사용한다면 Duplexer같은 건 필요없을 것입니다. 하지만 대부분의 시스템에선 송신 주파수와 수신주파수가 비슷한 경우가 많기 때문에,  두 개의 안테나를 쓰지 않아도 하나의 안테나로 소화가 됩니다. 게다가 단말기와 같은 작은 시스템의 경우 안테나 두 개를 쓴다는 것은, 모양도 이상해지고 단가도 올라갈 뿐 아니라 근접한 안테나간의 간섭문제등으로 인해 전혀 메리트가 없습니다.

결국 하나의 안테나로 송수신단을 소화해야 하고, 그런 경우 같은 안테나를 효율적으로 공유하기 위해 필요한 소자가 바로 듀플렉서인 것입니다.

 

Duplexer의 구조

구조 자체는 간단합니다. 송신단 주파수만 통과시키는 BPF(대역통과 필터)와 수신단 주파수만 통과시키는 BPF를 붙인후, 그 중간을 안테나와 적절히 매칭시키는 것입니다. 결국 그 형상과 S파라미터는 아래와 같은 형태로 나타납니다.

안테나(port 1)과 수신(port 2), 송신(port 3)간의 전력 전달을 의미하는 S21 과 S13은 필터 특성에 의해 각각의 BPF 통과주파수에서 높은 통과도를 가집니다. 다만 이것도 결국 filter다 보니까 통과대역에서 0dB보다 약간 작은 값을 가지게 되는 삽입손실이 존재하며, 당연히 이러한 각각의 삽입손실이 작을수록 Duplexer의 품질도 좋아지는 것입니다.

반면에 송신단과 수신단간의 전력전달을 의미하는 S23는 송/수신 주파수 대역 모두에서 최하로 억압됩니다. 이말은 송신단과 수신단의 신호교류는 곧 간섭과 잡음을 불필요한 잡음을 의미하므로, 최소화되도록 격리(isolation)되어야 한다는 말입니다. Duplexer의 목적 자체만 봐도 알 수 있듯이, 이러한 송신단과 수신단의 isolation은 중요한 특성이 됩니다.

이러한 Duplexer는 LC 필터의 조합으로 구현될 수도 있지만, 주파수 선택도가 떨어지기 때문에 대부분의 경우 공진기를 이용하여 만들어지게 됩니다. 이러한 소형단말기용 Duplexer에서는, 동축형태의 유전체 공진기 (Coaxial Ceramic Resonator 또는 Bar Dielectric Resonator)가 Q값이 높기 때문에 주로 애용됩니다.

이러한 공진기를 여러개 사용하여 송신단 수신단에서 각각 BPF를 구현하고 그것들을 잘 조절하여 하나의 안테나 포트로 연결되도록 하면 Duplexer가 만들어집니다. 이때, 송신단과 수신단의 BPF만으로는 송-수신단간의 격리(isolation)이 잘 안될 수 있기 때문에 중간에 notch filter를 추가하는 경우도 많습니다. 결국 많은 Duplexer들은 아래와 같은 형태의 회로로 구현되게 됩니다.

적절한 수의 Coaxial Ceramic Resonator를 조합하여 Rx(수신)단과 Tx(송신)단의 BPF를 구성한후, 그것을 중간에서 적절히 impedance matching을 하게 됩니다. 여기서 impedance matching이란, Rx단과 Tx단이 서로 무한 대의 임피던스로 보이되, 둘다 안테나 포트로는 50옴으로 매칭되게 만드는 것을 말합니다.

집적화 기술의 발전은 이런 개별적인 공진기들을 하나의 덩어리로 만들어서 그 크기를 최소화시키게 되었습니다. 그렇게 해서 만들어진 Duplexer가 바로 monoblock duplexer라 불리우는 것으로서, 아래그림처럼 Coaxial Ceramic resonator를 죄다 하나의 덩어리(monoblock)으로 만들고, 그것들을 연결하는 L,C 회로는 한쪽면의 pattern을 통해 구현한 형태입니다.

이러한 monoblock duplexer는 고전적 방식인 공진기조합형에 비해 설계와 튜닝이 어렵지만, 한번 제대로 설계되어 양산시에는 공정변수가 적고 단가도 싸지며, 공진기사이의 금속막이 없어서 삽입손실 특성이 좋다는 장점이 있습니다. 또한 크기도 더 작고 가볍게 만들어지기 때문에 대부분의 휴대단말용 duplexer시장을 장악하게 되었습니다.

그 이외에도 SAW filter등을 이용하여 좀더 작은 형태의 Duplexer가 연구/구현되어지고 있으며, 단말기용의 소형화된 Duplexer 말고도 기지국 등지에서는 도파관형태의 필터를 조합하여 대전력 Duplexer를 구현하기도 합니다. 중요한 점은, Duplexer는 결국 Filter에 기반한 조합형 회로소자라는 것이겠지요.

 

Diplexer

Duplexer(듀플렉서)와 철자가 비스꾸리해서 비슷한 역할같은 Diplexer(다이플렉서,디플렉서)에 대해 알아볼까요? 근본적으로 이 두가지는 역할이 비슷~합니다. 다른점은 바로 어떤 필터를 조합하느냐 라는 차이일 것입니다. 아래 그림을 보시지요.

Diplexer는 Duplexer와 달리 BPF대신에 LPF와 HPF를 사용합니다. Duplexer와 마찬가지로 Diplexer도 하나의 경로를 두 개의 서로 다른 주파수 신호가 공유하기 위한 것일텐데.. BPF 대신에 LPF/HPF를 사용하는 이유가 과연 무엇일까요? 뒤집어서, 만약 송수신단간의 분리만 고려한다면 Duplexer에서 힘들 게 BPF를 구현할 필요가 없어보입니다.  아시다시피 샤프한 BPF보다야 LPF나 HPF가 더 구현하기 쉬우니까요. Duplexer라는 개념에서 BPF가 필요한 이유는 아래와 같습니다.

결국 자기 주파수신호만 통과시키기 위해 BPF를 사용하게 됩니다. 하지만 CATV와 같이 유선경로를 이용하여 신호를 송수신하는 경우를 생각해본다면... 송신단 주파수와 수신단 주파수가 다르면서도 하나의 선로를 이용해야 하는 것 같습니다. 하지만 안테나가 아닌 유선선로이기 때문에 차폐된 선로 내에는 잡스런 주파수 없이 그냥 송신 신호와 수신 신호 두가지만 존재합니다. 게다가 CATV는 특성상 송신단과 수신단의 주파수대역이 무척 넓~어서 BPF를 쓰기엔 대역폭 구현이 애매합니다.

이런 경우라면, 그냥 LPF와 HPF만으로 매치된 Diplexer를 사용하는게 여러모로 편리할 것입니다. 그냥 송, 수신 두 개의 서로 다른 주파수대역을 가진 신호를 특정 주파수를 기준으로 분기하기만 하면 되니까요. 그래서 Duplexer와는 다른개념의 Diplexer 같은게 필요하게 된 것입니다.

또한 Multi-band 단말기의 경우 - 예를 들어 800MHz대의 Cellular CDMA와 1.8GHz대의 PCS CDMA를 동시에 소화할 수 있는 경우에 Diplexer가 필요하게 됩니다. (또는 IMT2000과 같은 다른 주파수와도 혼용될 수 있습니다)

 

위와 같이 각 주파수별로 RF 시스템은 별도로 존재할 것이지만, 그것들을 처음에 나누어줄 때 Diplexer가 있음으로써 각 주파수밴드끼리 신호가 섞이는 일을 보다 더 확실하게 막을 수 있습니다. 어차피 각각의 신호 송수신주파수의 정교한 선택은 duplexer가 담당하므로, 안테나 단에서는 그냥 band 두 개만 구분해줄 수 있는 diplexer만 있어도 서로 다른 band간의 Isolation 특성을 강화시킬 수 있습니다.
이처럼 Diplexer는 Duplexer와 매우 비슷하지만, 사용하는 필터와 사용목적이 다소 다릅니다.

 

결론

대표적 필터조합회로인 Duplexer와 Diplexer에 대해 알아보았습니다. 보시다시피 개념 자체는 쉬운 것이며, 시스템에서 신호경로를 효율적으로 사용하기 위해 고안된 소자인 것입니다. 듀플렉서에 대해서 자세히 나온 책은 거의 없습니다. 어차피 필터를 응용한 회로일 뿐이므로, duplexer/diplexer에 대해 자세히 공부하고 싶으시다면 필터를 공부하시면 됩니다.

 

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