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정지궤도위성의 RF 통신시스템 출력단에서는 삽입손실이 낮고 대역 외 감쇠 특성이 우수하며 고출력에 사용할 수 있는 필터가 요구된다. 캐비티 필터는 이러한 요구에 적합한 특성을 갖고 있기 때문에 위성 통신 시스템에 사용되는데, 높은 Q(Quality Factor)값을 가지는 대신 크기가 크고 무거우며 수동적 튜닝기법을 사용하여야 한다는 단점이 있다. 따라서 기존 필터 제작방식이 아닌 3D 프린팅 기법을 사용하여 튜닝 공정과정을 최소화하고 위성 탑재체를 경량화하여 위성 중계기 발사비용을 절약하는 방법을 알아본다.

2017.11.16.~2017.11.20. 정지궤도 위성 탑재용 캐비티 필터의 EM 시뮬레이션을 위한 CST STUDIO SUITE 모델링과 이를 활용하여 3D 프린트 출력 가능한 4 Pole L-Band Resonator 설계
2017.11.20. MakerSpace INU에 정지궤도 위성 탑재용 캐비티 필터 설계 출력요청
2017.11.23. 3D 프린터 Dimension 1200es를 사용하여 4 Pole L-Band Resonator 하단부 인쇄와 튜닝 접합가능한 상단부 인쇄 완료

제작된 필터는 Coaxial type의 공진기 4개로 구성 되어있으며, Cross coupling을 위한 element로 덤벨 모양의 금속체가 있다.
제안된 필터의 요구사항은 아래의 표에 작성되어있다.

표 1. 제안된 필터의 요구사항

그림 1. 제안된 필터의 등가회로

그림 2. 제안된 필터의 토폴로지

그림 1은 제안된 필터의 등가회로 모습이다. 표1의 요구사항을 만족하기 위하여 4차 필터로 설계 했으며, 차단대역특성을 만족시키기 위해 전송영점을 통과대역 양옆으로 형성 시켰다. 제안된 필터의 토폴로지는 그림 2와 같다.

그림 3. Milling(금속 절삭과정)으로 제작된 캐비티 필터

그림 3은 전자기 모의시험을 통해 설계된 필터를 실제 제작한 모습이다. 입력 포트는 50Ω SMA 커넥터를 사용 했으며, 공진기의 공진 주파수를 맞추기 위한 튜닝 스크류 4개와 각 공진기 간의 커플링 계수를 튜닝하기 위한 스크류 4개로 구성 되어있으며, Vector Network Analyzer(VNA)를 통해 측정 하였다. 측정 결과는 그림 4에서 확인 할 수 있으며, 요구사항에 만족하는 결과를 얻어 냈다.

그림 4. 제안된 필터의 실측결과

그림 5. 금속 공정과정으로 생성된 공동 (Resonator)

그림 6. 3D 프린터 Dimension 1200es로 인쇄된 공동

그림 7. 3D 프린터로 인쇄된 튜닝 스크류 접합부 및 덮개

그림 8. 인쇄된 4-Pole L-band Resonator coxial filter

그림 3과 그림 5는 금형 절삭공정을 통해 만든 기존의 정지궤도위성 탑재체용 캐비티 필터이다. 제작 과정에서 절삭공구에 가공물을 상대이송시켜 절삭 가공하는 단계를 거치게 되는데 이 정밀 주조 공정은 공정자체의 시간과 비용이 상당한데다가 공정이후의 캐비티 필터 자체의 무게가 무거워 위성탑재용 부품에 있어 위성 발사비용을 증가시킨다. 따라서, 정밀 주조공정의 오차범위 내에서 제작된 정지궤도위성 시스템용 캐비티 필터의 소형, 경량화를 위해서는 L-band 대역 특성을 만족시키는 구조적 변화를 통한 소형화 또는 캐비티 필터의 구성 재질을 바꾸는 등의 방법을 구상해볼 수 있다.
그림 6, 7, 8는 3D 프린터 Dimension 1200es로 인쇄된 캐비티 필터 모형이다. 금속 공정과정을 거친 기존의 필터에 비해 훨씬 가벼운 것을 체감할 수 있다. 또한 그림 5와 그림 6에서 보는 것과 같이 절삭공정을 거친 공동과 3D 프린터로 인쇄된 공동의 크기와 모양이 일정하며 따라서 3D 프린터 인쇄품의 공동의 역할을 하는 부분을 금속 처리하면 동일 특성이 나타남을 추측 할 수 있다.

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