Prototype Filter Design


 * 이 글은 RF database의 prototype filter design 프로그램을 사용하기 위한 사전 설명서 형식으로 작성된 글입니다. 웹상에 등록된 filter 자동설계 프로그램 사용 전에 꼭 읽어보시기 바랍니다.

  Prototype Filter

Prototype(프로토타입)이란, 우리말로 원형(原形)이라는 뜻이다. 공학적으로는 어떤 공학적 구조의 초기형, 시작모델등을 일컫는 말로 애용되게 된다.

RF 필터를 설계하기 위해서는 우선 Filter의 원형(prototype) 설계가 필요한 경우가 많다. 필터란 것은 주파수를 선택적으로 통과시켜주는 대표적인 수동회로부품으로써, 근본적으로는 L과 C의 조합에 의해 구성된다. 그리고 이 L,C 조합은 결국 크게 4가지 - 직렬 L, 직렬 C, 병렬 L, 병렬 C - 의 조합으로 이루어지게 된다. 만약 실제 L,C 소자 자체를 이용하여 필터를 설계하는 경우라면 완성된 prototype을 그대로 사용해서 땜질을 하면 완성된다.

그런데 만약 Microstrip형태나 도파관 형태처럼 구조적인 형태의 RF 필터를 구현하려면, 이러한 prototype L,C 회로를 원하는 구조에 맞는 등가형태로 변환하여 설계하게 된다. 어떤 필터를 설계하던 간에, 우선 주어진 spec대로 동작하게 하려면 그에 따른 prototype LC filter를 구현하는 것이 우선이다.

 

모든 RF 필터는 L,C 등가회로로 구성이 가능하며, 결국 그러한 prototype을 어떤 구조로 구현하느냐의 차이만 존재할 뿐이다. 다만 커플링을 이용한 필터류의 경우는 설계하는 접근 방법이 다소 다르긴 하지만, 근본적으로 모두 LC 등가회로로 구현이 가능하다는 점은 동일하다.

그런 의미에서, 구현해야 할 filter가 어떤 모양새건 그 원형이 어떠한 L, C 의 조합으로 구성이 가능한 것인지 찾는 과정은 매우 중요하다.

또한 filter의 기본을 모르고 filter를 설계한다는 것은 어불성설이다. Prototype filter design 프로그램을 이용하기 전에, 아래의 글에서 filter에 대해 최소한의 기본적 학습은 반드시 수행하기 바란다.

기초강의실 > RF회로개념정복 - Filter (여파기)

아래에는 Prototype Filter Design 프로그램을 이용하기 위한 parameter들을 설명한다.

 

  Cut Off Frequency(fc : 차단주파수)

필터란게 근본적으로 특정주파수는 통과시키고, 그 이외의 주파수는 차단해 버리는 것이 목적이다. 그러기 위해선 어느 주파수부터 차단해야 하는지에 대한 규격이 가장 먼저 필요할 것이다. 이러한 차단주파수는 LPF, HPF 처럼 한쪽 끝을 기준으로 차단영역과 통과 영역이 분명할 때 사용하는 개념이다.

 

  Center Frequency(fc : 중심주파수) & Bandwidth(BW : 대역폭)

BPF나 BSF처럼 특정 주파수를 중심으로 일정 주파수범위 이내에서만 통과/차단 동작을 하는 경우는, 차단주파수의 개념보다는 중심주파수(Center Frequency)와 대역폭(BW)의 개념을 주로 사용하게 된다.

 

  Order (차수)

필터에서 차수란 독립적인 L,C 성분의 갯수를 의미한다. 차수가 높을수록 주파수 선택특성은 좋아지지만, 삽입손실과 군지연 등의 특성이 나빠지고 단가상승, 공간차지 등의 문제가 존재한다. 그러므로 Prototype Filter Design 프로그램을 사용할 때도, 상황과 여건에 맞는 적절한 차수선택은 매우 중요하다.

 

  Butterworth & Chebyshev

필터의 통과대역 특성은 여러 가지 형태로 조절할 수 있다. 그중 가장 대표적인게 Butterworth 와 Chebyshev 인데, Butterworth type은 통과대역이 평평한 반면 스커트 특성이 좋지 않고, Chebyshev type은 스커트 특성이 매우 좋지만, 통과대역이 평평하지 못하고 ripple이 생성된다.

일반적으로 주파수 선택특성이 좋은 Chebyshev 형태의 필터가 가장 많이 사용되며, 스커트 특성이 좋을수록 ripple은 심해진다. 이러한 통과특성의 type은 수학적 계수의 차이를 가져오며, 같은 소자와 갯수로 필터를 구성하더라도 소자값은 type별로 달라지게 된다. Prototype Filter Design 프로그램에서는 모든 필터 형태에 대해 두 type 중 한가지를 선택할 수 있게 되어 있다.

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