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1 저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 변경금지. 귀하는이저작물을개작, 변형또는가공할수없습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우, 이저작물에적용된이용허락조건을명확하게나타내어야합니다. 저작권자로부터별도의허가를받으면이러한조건들은적용되지않습니다. 저작권법에따른이용자의권리는위의내용에의하여영향을받지않습니다. 이것은이용허락규약 (Legal Code) 을이해하기쉽게요약한것입니다. Disclaimer

2 工學碩士學位論文 X-Band 발진기설계 Design of An X-Band Oscillator 忠北大學校大學院電波工學科電波通信工學專攻金鎭永 2004 年 8 月

3 X-Band 발진기설계 Design of An X-Band Oscillator 指導敎授安炳哲電波工學科電波通信工學專攻金鎭永 이論文을工學碩士學位論文으로提出함 2004 年 8 月

4 本論文을金鎭永의工學碩士學位論文으로認定함 審査委員長 최익권印審査委員안재형印審査委員안병철印忠北大學校大學院 2004 年 8 月

5 차 례 Summary I. 서론 1 II. 소신호발진기설계이론 증폭기의안정도이론 발진조건 공진기 (Resonator) 트랜지스터를이용한발진기의구성 발진회로의형태 MESFET 의동작점 15 III. X-Band 발진기설계 X-Band 발진기설계목표 부품의선정 트랜지스터특성해석 부성저항을위한소스부하성용량길이 RF choke and DC block capacitor 공진부설계 - Terminate port matching 마이크로스트립라인공진기 (Microstrip-line Resonator) Output matching 29

6 IV. X-Band 발진기제작및측정 발진기제작 제작된 X-Band 발진기의측정 34 V. Device line method 설계기법연구 Device line method 개념 Device line method 방식에의한 X-Band 발진기설계 기본회로구성및발진방지소스저항값계산 Device line simulation 반사전력측정 부하임피던스계산및 Output matching Harmonic Balance simulation 에의한결과확인 46 VI. 결론및고찰 49 참고문헌 51 감사의글 52

7 I. 서론 헤테로다인이라불리는현대의모든무선시스템에서주파수변환회로인믹서 (Mixer) 를구동시키기위한국부발진기의필요성은시스템에서매우중요한위치를차지한다. 발진기의성능지표로삼는것으로는크게믹서의원활한동작을위해충분한출력파워가필요하며신호처리를위한베이스 Band 단 IF 주파수의안정성을위해발진기의주파수안정성, 위상잡음이특히중요하다. 그리고온도에따른안정성등몇가지성능지표의개선을목표로연구되어왔다. 그러나그중한가지성능지표인위상잡음의개선에대한연구는활발히이루어졌으나실질적으로설계자체에대한개선의연구는크게이루어지지않은것이사실이다. 이에본논문에서는발진기의실질적인설계자체의개선에대한연구로두가지의과제를목표로기술하고자한다. 첫째는발진기의동작점에관한것으로이는발진기외에도모든능동회로에서중요시되는부분이다. 둘째는효율적인매칭기법에관한것으로기존의소신호설계법을보완할수있는새로운설계기법에대해연구하고자한다. 발진기의구성은발진주파수를결정하는공진부와부성저항특성을만족시키기위한부분및출력정합을위한부분으로크게나눌수있다. 먼저공진부는일반적으로디스크모양의높은 Q값을가지는유전체나마이크로스트립타입의공진기를마이크로스트립라인에결합시켜구성한다. 또한부성저항부는실제로공진주파수에서발진이일어나게하기위한부분으로어떤일정한조건에서 1

8 부성저항소자로동작하는 Gunn 다이오드와같은소자를이용하는방법과자체로는부성저항의특성은없으나궤환을이용어떤한포트에서부성저항특성이나타나게하는방법이있는데이경우에는주로 BJT 나 FET 의능동소자가사용된다. 그리고출력정합부는일반적으로출력저항을 50 Ohm 으로하는정합회로가사용되는데시스템에따라서는출력전력을높이고부하임피던스의변화에따른발진주파수의변화 (pulling figure) 를낮추기위해증폭기를사용하기도한다. 발진기소자로는 12GHz 대역에서 LNA 용으로쓰이고있는 Agilent 사의 ATF MESFET 를이용하여소오스부분에부하성용량, 즉스터브를달아부성저항의특성을높이고소신호기법과, 비선형해석기법 (Harmonic Balance) 을혼용하여 X-Band 대역의발진기를설계하였으며, 기판제작으로는 Taconic 기판으로유전체두께 0.508mm, 유전율 2.5 를사용하였다. II 장에서는일반적인발진기의설계이론과공진회로에대해알아보고, III 장에서는 MESFET 의산란계수를이용하여발진이시작되는조건을만족시키는소신호설계기법과비선형해석을이용하여동작점에따른효율적인발진기설계와 CAD tool 을이용한회로최적화에관한내용을나타내었다. 그리고 IV 장에서는발진기의 MIC 제작과시험결과를수록하였으며, V장에서는 Device line method 설계기법에대해연구하였다. 마지막으로본논문의결론을 VI 장에나타내었다. 2

9 II. 소신호발진기설계이론 발진기에대해간단히정의해보면직류전원 (DC) 를 RF 에너지로변환시키는변환기이며기본적인초고주파에너지원이다. 발진기는주로통신및레이다시스템에사용되며그구성으로는다이오드, 트랜지스터등의능동소자와단일주파수의발진기의경우마이크로스트립, SAW, Cavity 공진기, 유전체공진기등의수동소자를이용하며, 주파수가변발진기의경우 Varactor diode, YIG sphere 등의수동소자를사용한다. 저잡음, 작은크기, 경제적비용, 고효율, 높은온도안정성, 신뢰성에더불어주파수가변발진기의경우에는넓은대역폭, 좋은주파수선형성, 짧은 setting time 등의특성을만족시키기위한연구가활발하다. 발진기는비선형소자로써 2단자소자인 Gunn 다이오드, IMFATT (Impact Avalanche and Transit Time) 다이오드, Tunnel 다이오드와 3단자소자인전계효과트랜지스터 (MESFET, Metal Semiconductor Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), HBT(Heterojunction Bipolar Transistor) 등을이용하며, 대표적인발진기의특징을간단히살펴보면 Gunn 발진기는 Impatt 에비해낮은 FM 잡음특성을가지고있으며, Impatt 발진기는 Gunn 에비해고효율, 고출력의특징을갖고있다. 또한트랜지스터발진기는 Gunn 에비해저잡음, 고효율의특징을갖는다. 발진기에사용되는 2단자소자인 Gunn, IMTATT 다이오드는자체에부성저항을갖고있어원하는출력을전달하는출력정합회로설계가용이하다는점이있고, 주파수범위가소자의물리적인특성에의해결정되어진다는 3

10 특징이있다. 반면에 3단자소자인트랜지스터를이용한발진기는높은효율과낮은잡음을가진다. 그러나자체적으로부성저항을가지고있지않는경우가많으므로, 발진에필요한부성저항을얻기위해직렬또는병렬궤환회로가필요하다. 그리고주파수범위는이러한궤환회로의방식에따라결정되어지는것이특징이다. 본장에서는마이크로스트립공진발진기의설계에앞서기본적인발진기의설계이론에대해기술한다. 2.1 증폭기의안정도이론 트랜지스터의안정도는증폭기설계에있어서매우중요한사항이고제조회사로부터주어지는소신호 S- 파라미터만으로해석이가능하고, 주어진최소잡음지수를갖는반사계수값에의하여정합회로를설계할수있다. 그림 2-1 에나타낸 2단자회로망에의해증폭기의안정도이론을제시하였다. 50 옴 E + - 입력정합회로 FET 출력정합회로 50 옴 Γs Γin Γout ΓL 그림 포트회로망 4

11 안정도를나타내는지수는 K 와 로나타낼수있는데, K>1, <1 일때, 트랜지스터는무조건안정하고, 그외에는조건부안정하다고볼수있다. 안정도 지수 K 와 값은아래수식과같다 S22 1 S + K = 2 S S (2-1) = S S S S (2-2) 트랜지스터가무조건적으로안정할경우, 증폭기가발진을하지않게되므로 발진기설계가어렵게된다. 그래서조건부안정인경우에증폭기의불안정한특성을 이용하여발진기를설계하게된다. 잠재적으로불안정할경우, 아래식 (2-3)~(2-6) 으로나타낸다. 안정도원을통해트랜지스터가불안정된영역에서동작하는임피던스를선택하여 설계한다. 입, 출력안정도원의중심과반경은아래식과같다. Γ = 1에의한 ΓS 평면에서입력안정도원은아래식과같다. OUT C S ( S S ) = S * * (2-3) R S = S S S (2-4) Γ IN = 1에의한 ΓL -평면에서출력안정도원은아래식과같다. C L ( S S ) = S * * (2-5) 5

12 R L = S S S (2-6) 2.2 발진조건 발진기에서발진을설명하기위해서부성저항의개념을사용하는데, negative resistance 라는말은 positive resistance 에대응되는용어로전기적에너지원이라는의미를내포하고있다. 즉, 반사계수가 1보다큰조건을가질때, 상대적으로증폭되어돌아오는것처럼보이는현상을 positive resistance 의반대개념으로이해하는방법론이며이를부성저항이라고부른다. V + I R V + I -R I V 2 V 2 =, Pdiss = I R I =, Pgen = I R R R 그림 2-2. 부성저항모델 부성저항특성을가지는능동소자로는적절한직류바이어스를가하면자체적으로부성저항을보이는 Gunn, Impatt 다이오드가대표적인경우이고, 반면적절한직, 병렬회로에의해부성저항특성을임의로만들어발진기에응용되는 BJT, FET 등의트랜지스터소자가쓰이고있다. 6

13 2.2.1 One-port 발진조건 FET + 부가회로 Z L Zs i(t) Zc Zc Zs 그림 2-3. One-port 발진기의구성 그림 2-3 과같이비선형부성저항특성의 Zn 과부하임피던스 Z L 을연결하여 발진기를구성한경우, ω0 의주파수로발진한다고가정하면, 이때의 RF 전류는 식 (7) 과같이나타낼수있으며식 (2-8) 과식 (2-9) 를만족해야한다. it () = I cos( ω t) 0 0 (2-7) [ Z ( I, ω ) + Z ( ω )] gi = 0 S 0 0 L 0 0 (2-8) ZS + ZL = ZT = RT + jxt (2-9) 식 (8) 에서 I 0 r가 0 이아니기때문에다음의식 (2-10) 와식 (2-11) 를모두만족 해야한다. R ( I, ω ) = 0 T 0 0 (2-10) X ( I, ω ) = 0 T 0 0 (2-11) 7

14 또한식 (10) 에서 Re(Z L )>0 이기때문에 Re(Z S )<0 이어야한다. 즉, 발진이일어나기위해서는 Z S 이부성저항특성을가져야하며, Z S 와 Z L 의리액턴스성분이상쇄되는주파수로발진이일어나게된다. 식 (2-10), (2-11) 를어드미턴스식으로고쳐쓰면, G ( V, ω ) = 0 T 0 0 (2-12) B ( V, ω ) = 0 T 0 0 (2-13) 다시편의를위해 (2-10)~(2-13) 식을반사계수 ΓS 와 ΓL 로나타내면, Γ gγ = 1 S L (2-14) Γ S + Γ L = 2π n n = 0,1,2,... (2-15) 이다. 식 (2-14) 에서 Γ L < 1이기때문에 ΓS 가 1보다커야함을알수있다 Two-port 발진조건 Terminate matching network Load matching network Γs Γin Γout ΓL 그림 2-4. Two-port 발진기의구성 8

15 그림 2-4 와같이 2-port 능동소자의양단에수동소자가연결된경우, 능동소자의산란계수행렬은 [ S] S S = S21 S 22 (2-16) 로, 입출력회로는 [ S '] ΓS 0 = 0 ΓL (2-17) 로나타낼수있다. 이때의발진조건은, [ S][ S' ] [ I] = [ M] (2-18) 이특히행렬이거나 det[ M ] = 0 (2-19) 으로여기서 [I] 는항등행렬이다. 이것은발진기의일반화된대신호발진조건으로이를계산하면, S11ΓS 1 S12ΓL det[ M ] = det = 0 S Γ S Γ 1 21 S 22 L (2-20) ( S Γ 1)( S Γ 1) S S Γ Γ = 0 11 S 22 L S L (2-21) 이다. 앞의식들로부터발진기구현을위해동시에만족해야하는다음두개의식을 얻을수있다. 9

16 S S S S Γ 1 Γ Γ L 11 + = 1 S22 L S 22 + = 1 S11 S S S S Γ 1 Γ Γ L (2-22) (2-23) 사실능동소자의산란행렬은소신호레벨로정의되기때문에앞식을소신호발진 조건으로나타내면 ([ S][ S ] [ I] ) det ' > 0 (2-24) 이고, ([ ][ ] [ ]) Arg det S S ' I = 0 (2-25) 이다. 발진은식 (2-24) 의조건이만족되어지면시작되어점점증가하다가능동 소자의비선형특성때문에점차제한되어식 (2-25) 의정상상태에다다르게되어 안정된발진을유지하게된다. 10

17 2.3 공진기 (Resonator) 공진기는발진기의출력주파수를결정짓는중요한요소중의하나이다. 발진기에있어발진기의주파수안정화에있어밀접한관계가있는위상잡음이이공진기의성능에많은부분이좌우된다. 다음표는대표적인공진기와그특징을분류한것이다. 표 1. 공진기의종류및특성 종류장점단점 Planar Rectangular Microstrip - 넓은대역폭 -Line loss 가큼 Microstrip Microstrip Disk - 소형, 집적화 - 작은 Q 값 Resonator Microstrip Ring - 회로구현간단 - Isolation 의어려움 Triangular Microstrip Hexagonal Microstrip Dielectric Waveguide - 높은 Q 값 - 접적화곤란 Resonator Coaxial - 저손실 - 온도안정성 - 저가, 간단한구조 Cavity Ceramic 재질 - Good Isolation - 부피크고무거움 Resonator - Power Capability - 집적화곤란 가좋음 - 대역폭좁음 - Q 값이높음 - Line loss 가적음 cavity 형공진기가가장안정적인동작을보장하나, 그크기와부피, 무게에있어 11

18 사용범위가많이제한되어진다. 유전체공진기는매우높은 Q값과 (2,000~30,000), 온도에대한안정성 (5ppm 0 ), 그리고간편한구현방식에있어선호되고있으나유전체 (DR) 의크기와부피때문에집적화가힘들어현재에는마이크로스트립방식의공진기가면밀히연구되어지고있다. 2.4 트랜지스터를이용한발진기의구성. 고정주파수발진기 (fixed frequency oscillator) 는능동소자를포함하여 AC 전력을생성하는부성저항부와발진주파수를안정시키는공진부그리고부하에큰출력이전달되도록하는임피던스정합부그리고부하로구성되어있다. 가변주파수발진기는기계적또는전기적으로회로의어느한부분의임피던스특성을변화시켜서발진주파수를바꾸는것을목적으로하는발진기로보통가변임피던스로가변리액턴스특성을갖는소자를쓰는데전기적가변인경우 YIG 나바랙터다이오드가쓰인다. 2.5 발진회로의형태 BJT 나 GaAs MESFET 의급속한발달로, 소형화, 경량화된신뢰도가높은 고효율의초고주파발진기의제작이가능하게되었다. 능동소자만으로발진 조건들을만족시킬수없을때, 또는발진기의출력등을최적화하려고할때에는 12

19 적당한궤환회로를추가해야한다. 소신호적으로볼때, 정해진능동소자와바이어스조건에서, 발진기의출력은부하를포함한궤환회로에의해서결정된다고할수있다. 회로의형태는또여러가지로분류될수있지만여기서는 MESFET 을이용한발진기에서접지에따른형태와공진부에대한형태로분류해본다. 일단, 3단소자인 MESFET 에서어느부분을공통접지로하느냐에따라크게분류될수있다. 접지에따라공통게이트, 소스, 드레인구성이라불리며그특성또한틀리기때문에용도에따라방식을결정한다. G S D G D S S D G (a) 공통게이트방식 (b) 공통소스방식 (c) 공통드레인방식 그림 2-5. 접지방식에따른회로의형태 공통게이트방식은쉽게발진하고주파수튜닝이간편하나, 저주파대의발진기에적합하다. 또한공통드레인방식은궤환없이도쉽게발진하나이득이낮은단점이있다. 공통소스방식은주파수튜닝범위가작다는단점이있으나쉽게튜닝이가능하고높은효율과출력을가지고있는특징이있다. 그러나이외에도공진부의구성방식에따라또한특성이달라질수있기때문에용도에따라적당한구성을 13

20 결정하는것이중요하다. 본논문에서는높은효율과출력의특징을가지고있는공통소스방식으로결정하였으며공통소스방식의발진기는공진기의위치에따라다음과같은특징으로분류될수있다. Stablized DRO 는반사형이라불리며, 출력단에공진부를구성하는방식이다. 공진부를출력단에구성하게되면, 이때는대역통과필터로동작하게되며발진주파수를안정화시키기에유리하나반면위상잡음이나빠진다. 또한기생발진이생기고튜닝또한쉽지않다. Matching Network Resonator 그림 2-6. Stablized DRO 병렬궤환발진기는 FET 게이트와소스또는게이트와드레인회로사이에유전체 공진기를궤환요소로써직접연결한다. Matching Network Resonator 그림 2-7. 병렬궤환방식 14

21 이구성방식의발진기는해석이복잡하고상대적으로출력이낮기때문에많이 이용되지않는다. 가장많이쓰이는직렬궤환방식은다음과같다. Resonator Matching Network 그림 2-8. 직렬궤환방식 직렬궤한발진기는 FET 의입력단에유전체공진기를위치시킨것으로공진주파수근처에서마이크로스트립전송선로와유전체공진기는강하게결합되어이때, 전력이 FET 측으로반사되어 FET 는불안정해지고발진이일어나게된다. 이형태는기생발진을피할수있고부하변화에대한발진주파수및출력전력변화가적다는이점이있다. 이러한모든특징을감안하여본논문에서는공통소스접지이며직렬궤환방식의발진기를디자인하기로결정하였다. 2.6 MESFET 의동작점 능동소자에동작점을어디에선정하느냐에따라많은차이가발생한다. 특히발진기의파워로스위칭을이용하는믹서의경우에는방식에따라동작점의 선정이미리이루어져야한다. 예를들어게이트방식의믹서라면게이트단자의 15

22 볼티지변화에의해스위칭이많이이루어질수있도록 Pinch off 영역에동작점을설정해야할것이다. 이러한방식자체를결정하는것이외에도증폭기의경우동작점에따라효율성과선형성이달라질수있다. 또한발진기에대한동작점이론은따로정리되어있진않지만발진기가양귀환을갖는증폭기로설명되어질수도있었기때문에증폭기의동작점이론과비교하고자한다. 증폭기에대한동작점이론을그림 2-9 에나타내었다. IF IDSS IDS CLASS A CLASS AB CLASS B Id_Peak VGS VK VS VDS VDS CLASS A VDS_Peak t t CLASS B Id_Peak t t 그림 2-9. 증폭기의동작점이론 FET 의경우전압볼티지소자이다. BJT 의경우에는베이스의전류에의해 컬렉터의전류가증폭되고, FET 의경우에는게이트의전압에의해드레인전압이 증폭된다. 이러한이유로 FET 의경우게이트와소스간의전압, 즉 Vgs 에의해 16

23 동작점의위치가결정된다고볼수있다. 동작점의위치는 FET 의동작 (Saturation) 영역내에서주로선정되어지며, 그위치에따라효율이크게달라지는것으로알려져있다. 일반적으로그림에표시된것과같이크게 CLASS A, CLASS B, CLASS AB 가많이쓰여진다. CLASS A는 FET 의최대전류 IF 의반정도되는위치를가리키며 CLASS B는전압의 Pinch off 되는지점이다. CLASS B와같은경우에 nagative 전압스윙이일어날때, 전류스윙은 Saturation 되어흐르지않기때문에전류의소모를 CLASS A에비해반으로줄일수있다. 결국이얘기는증폭기에서살펴봤을때, CLASS A의경우입력신호가인가되지않을때에도전류소모가계속되나 CLASS B의경우신호가인가되지않을때전류의소모를줄일수있어효율성이많이개선된다. 그러나선형성이많이떨어지기때문에실제적으로그중간의특성을겸비한 CLASS AB 의동작점이 Power amp 등에많이적용되고있다. 본논문에서는이러한증폭기의동작점이론을받아들여발진기에서도동작점에따라효율성이달라질수있음을확인하고증폭기의동작점이론과비교검토하여그특징을분석해보고자한다. 17

24 III. X-Band 발진기설계 본논문에서는 10GHz 에서발진하는마이크로스트립공진발진기를 MESFET 소자를이용하여설계하고자한다. 공진기는마이크로스트립라인과한면에서만결합시켜직렬궤환방식의발진기로구성하고, MESFET 에공급하는바이어스전원은드레인전압과전류의미세조정을위해드레인전압과게이트전압을별도로공급하는이중바이어스회로로구성하였다. 본논문에서설계하고자하는 MESFET 을이용한발진기의구성은그림 3-1 과같다. MESFET 은소스공통회로로구성하고소스단에는마이크로스트립라인을이용한용량성직렬궤환 (capacitive series feedback) 회로를추가하여 10GHz 대역에서불안정성 (unstable) 을증가시켰다. 회로의설계는소신호모델을기반으로기초설계를한후, 이를기초로 CAD tool 을이용하여최적화하는과정을통해수행되었다. GND R l1 l3 output l2 그림 3-1. MESFET 을이용한마이크로스트립공진발진기의구성 18

25 발진기의특성을만족하기위해 FET 은충분한불안정성을가져야한다. 그러나본 논문에서선정했던 MESFET 은 12GHz 대역의 LNA 용이므로원하는설계주파수 10GHz 에서매우안정적인특성을가지고있다. 이러한경우공진부로쓰일 게이트단의 FET 임피던스를불안정하게만들기위해소스단스터브 l 2 의길이를 조정하게되며, FET 의케이트단에서바라본임피던스가최대가되게설계한다. 공진부는마이크로스트립라인과공진기의결합이최대가되게 l 1 을조정한다. 마지막으로 l 3 의길이를조정함으로써최대출력을위한출력임피던스매칭을하게 된다. 3.1 X-Band 발진기설계목표 발진기설계에앞서설계기준을정하였다. 현재상용화되어있는발진기설계 기준의일부를설계목정에규합하도록재정리하였다. 아래설계기준을만족하는 범위내에서는충분히상용화가가능할정도의성능이보장된다. 표 3-1. 상용화된발진기규격설계사양 단위 비고 Frequency 10 GHz Output power 7±3 dbm Phase noise -100 dbc/hz 19

26 Load impedance 50 Ohm DC to RF Conversion Efficiency % 3.2 부품의선정 본논문에서사용한 MESFET 소자는 Agilent(Hewlett Packard) 사의 ATF 으로공식명칭은 GHz Low Noise Gallium Arsenide FET으로 12GHz 에서 1.8dB 의잡음지수 (Noise Figure) 와 9dB 의이득을가지는소자이다. 이 GaAs MESFET 소자는 0.3um 게이트길이와 250um 폭으로제작되었으며표면실장형세라믹패키지로되어있다. 또한 12GHz 대역에서출력전력은 P 1dB 기준 17.5dBm 의특징을가지는소자이다. 기판은 Taconic 재질의기판으로유전율 2.5, 손실탄젠트 그리고기판두께 1/2oz 로 0.017mm 의기판을적용하여설계, 제작하였다. 3.3 트랜지스터특성해석 MESFET 의특성을살펴보기위해 CAD tool 에서제공하는 MESFET 의비선형라이브러리에바이어스 (Vgs : 0.4V, Vds : 4V) 를인가한다음그특성을살펴보았다. 일단 FET 이불안정해야하기때문에안정도계수 K를살펴보고스미스차트로플랏하여설계주파수 10 GHz 에서의입, 출력안정도원을그려보았다. 20

4 부성저항을위한소스부하성용량길이 MESFET(ATF-13736) 의소오스단에용량성부하 (X S ) 추가를위해두개의끝이 단락된마이크로스트립라인을이용하였으며, 마이크로스트립라인의폭 ( ω ) 은

27 (a) 안정도 k(9-11ghz) (b) 입출력안정도원 (10GHz) 그림 3-2. MESFET 의안정도계수 그림 3-2 에서와같이 10GHz 에서의안정도계수 K 값은 1.09 로무조건안정을 취하고있다. 발진기의경우이상태에서의정합이어려운것으로판단되어충분한 불안정성을위해소스단에용량성부하의추가가요구된다. 3.4 부성저항을위한소스부하성용량길이 MESFET(ATF-13736) 의소오스단에용량성부하 (X S ) 추가를위해두개의끝이 단락된마이크로스트립라인을이용하였으며, 마이크로스트립라인의폭 ( ω ) 은 MESFET 소오스단자의폭 ( ω = 1.42mm s ) 로결정하고라인의길이 ( l S ) 는용량성 부하역할을위해 ( λ /4~ λ /2) 사이에서안정도를최소로하는길이로최적화하며 제작의오차를줄이기위해그배수까지적용하였다. 최적화된라인의길이 ( l S ) 는 13mm 이며이때, 안정도계수 K 는 0.7 이다. S 21

(a) 소오스단의용량성부하 (b) 소오스단의용량성부하길이에 따른 K 값의변화 (12~14mm) 그림 3-3. 부성저항을위한소스용량성부하길이 3.5 RF choke and DC block capacitor 발진기설계를위한입, 출력매칭을하기전에기본적인회로를구성하기위해 DC block 단의 capacitor 와 RF choke 회로를구성한다.

28 (a) 소오스단의용량성부하 (b) 소오스단의용량성부하길이에 따른 K 값의변화 (12~14mm) 그림 3-3. 부성저항을위한소스용량성부하길이 3.5 RF choke and DC block capacitor 발진기설계를위한입, 출력매칭을하기전에기본적인회로를구성하기위해 DC block 단의 capacitor 와 RF choke 회로를구성한다. DC block capacitor 는 capacitance 는저주파에높은임피던스를, 고주파에낮은임피던스를가지므로 RF 신호에는영향을미치지않으며 DC 전력이 FET 을구동시키는역할외에다른시스템에누설되는것을방지한다. RF choke 는반대로 RF 신호가바이어스단으로유입되는것을방지하기위해바이어스단에 Low pass filter 방식의 RF choke 를달아주었다. 보통직렬인덕턴스와병렬캐패시턴스 (bypass capacitor) 로구현되나 10GHz 의고주파에서는소자의 SRF(self resonance frequency) 현상을방지하기위해마이크로스트립라인으로구현한다. 발진기에서는특히저주파인 DC 전력의잡음이위상잡음 22

에많은영향을미칠수있기때문에 Radial stub 형식의 RF choke 를사용하였다. Radial stub 방식의 RF choke 는 Band rejection 의특성을가지고있으며손실이 적어본논문에서는 10GHz 에서높은격리도를갖는 Radial stub 를설계, 구현하였다.

29 에많은영향을미칠수있기때문에 Radial stub 형식의 RF choke 를사용하였다. Radial stub 방식의 RF choke 는 Band rejection 의특성을가지고있으며손실이 적어본논문에서는 10GHz 에서높은격리도를갖는 Radial stub 를설계, 구현하였다. RF short λ/4 RF open Microstrip line(conductor) (a) Radial stub (b) 설계된 Radial stub (c) 반사계수특성 그림 3-4. RF choke 의개념도및특성 설계된 RF choke 는라인폭은 50Ohm 인 1.42mm 이며스터브의길이는 5.17mm 로구현했을때 10GHz 에서반사계수 -0.02dB, 투과계수 -47dB 로 Band rejection 특성을가지고있는것을알수있다. DC block capacitance 는보통 2~5 Ohm 의임피던스를가지도록설계하나실제로더낮은임피던스를가져도발진기성능자체에는영향이크게없기때문에 100pF 으로선정하였다. 그러나전체적인시스템을다구현할경우에는어느정도의임피던스를가지도록설계하여발진기의 pulling figure 가안정되도록해야한다. 23

30 RF choke 회로 DC block 그림 3-5. 발진기기본회로 그림 3-5 는 DC block capacitor, FET 접합부등, 실장면적을고려하여기본적인마이크로스트립라인회로구성한그림이다. 고주파대에서는라인의일부및납땜에도영향을받기때문에정확한시뮬레이션을위해모든고려사항을적용하는것이바람직하다 3.6 공진부설계 - Terminate port matching 본논문에서의발진기는소스단에용량성부하를추가하여게이트단을바라보는상태에서의불안정한상태를유도하였으며이제원하는주파수를발진기키기위해게이트단을공진부로이용하여주파수를고정하여야한다. 주파수는라인의길이에의해결정되어지며이라인의길이를구하는것이 terminate port matching 이라 24

한다. 회로설계시에입력포트와게이트간의길이를조정하게되며입력포트쪽은접지시키며 open or shot 로보고게이트를바라본스미스차트의불안정영역에매칭을하게된다. 그림 3-6 은 open 임피던스점에서가장불안정한영역까지를매칭한것이다. 그림 3-6. Terminate port matching 그림 3-6 의안정원에서돌기가나온부분이안정영역이다.

31 한다. 회로설계시에입력포트와게이트간의길이를조정하게되며입력포트쪽은접지시키며 open or shot 로보고게이트를바라본스미스차트의불안정영역에매칭을하게된다. 그림 3-6 은 open 임피던스점에서가장불안정한영역까지를매칭한것이다. 그림 3-6. Terminate port matching 그림 3-6 의안정원에서돌기가나온부분이안정영역이다. 불안정영역이감마가 1 인스미스차트에서거의모든영역을차지고하고있음을볼수있는데이것은소스단의용량성부하에의한불안정성이최대인것을의미하기도한다. Open 에서매칭작업을할때, 가장불안정한영역으로매칭을해야하는데통상적으로는불안정영역의중심점이가장불안정한영역이된다. 25

32 그림 3-6 에서와같이최대로불안정한영역까지매칭을하였으며이때의라인의 길이는 66 도의파장길이로 50Ohm 라인폭기준 (1.42mm) 에서길이는 5mm 이다. Termination port Output matching 그림 3-7. terminate port matching circuit 그림3-7 은 terminate port matching 을회로에적용한그림이다. 이제 terminate port 와게이트단의길이는 10GHz 에서발진이일어나도록구조적으로설계되었다. 그외에주파수를더욱안정시키기위해흔히공진기를설계하여공진부에장착하는것이일반적이다. 공진기에는여러종류가있는데본논문에서는파워에있어손실이적고구현이간단한마이크로스트립싱글엔드방식의공진기를첨가하였다. 3.7 마이크로스트립라인공진기 (Microstrip-line Resonator) 집적화에대한현재의경향과위상잡음의개선보다는동작점선정에관한파워의 26

33 효율성에주된관심을가지고있는본논문의특징을감안하여마이크로스트립 라인에의한공진기를구현하기로하였다. 마이크로스트립공진기에는링공진기, 헤어핀공진기, CPW 등이많이쓰이고있으나링또는헤어핀공진기설계결과 기능에비해커플링에의한삽입손실이상당히크다고판단되어파워효율에중점을 가지고있는본논문에적합하지않다고결정하였다. 이런이유로손실이비교적 적고구현이간단한 λ /2open-stub microstrip_line 공진기를채택하였다. open ZL l 그림 3-8. λ /2open-stub microstrip_line 공진기개념도 λ /2 open-stub microstrip_line 공진기는마이크로스트립라인의회로에서 간단한형태로자주쓰이며, 길이가 λ /2 유사한공진특성을보인다. 나그정수배가될때, 병렬공진회로와 길이가 l 인개방전송선로의임피던스는 Z = Z coth( α + jβ) l = Z in jtanβltanhαl tanhαl+ jtan βl (3-1) 이된다. 이식은다음과같은식으로정리할수있다. 27

34 Z in Z0 = αl+ j( ωπ / ω ) 0 이경우에는 Parallel RLC 공진회로가같은 Bandrejection 형태를가지게된다. (3-2) 그림 3-9. Band rejection type 의특성 식 3-x 을 Parallel RLC 공진회로를통하여, R, L, C 값을구하면, Z 0 R = αl π C = 2ω Z L = ω C 을얻을수있다. 또한 Q 값은다음의식과같이정리된다. π β Q= ω0rc = = 2α l 2α (3-3) (3-4) (3-5) (3-6) 결국 10GHz 에서 λ /2의길이는 10mm 정도 (50Ohm 폭기준, 1.42mm) 이며 open stub 로구현시병렬공진특성을갖는것으로해석될수있다. 28

35 3.8 Output matching 설계한발진기가최대출력을얻을수있게 output matching 를해야한다. 출력포트바라본임피던스에 conju 게이트 matching 을해야하지만출력포트에서 MESFET 을바라본임피던스는부성저항을가지고있기때문에다음의식에의해서 부하임피던스를계산해내야한다. Max output power 를구하기위한임피던스계산식은다음과같다 A P= Re[ VI*] = I RIN ( A) = A R AM (3-7) 2 dp 1 3A = R0 2A = 0 da 2 AM (3-8) 2 R R 0 0 A0, MAX = AM RIN ( A 0,max ) = R L = (3-9) Output impedance 를구하기위한계산식은다음과같다. Z = ω R + X S( ) S0 S0 Z = R + X L L L (3-10) R S 0 = X S 0 (3-11) 3 출력포트에서바라본임피던스는 j1.053 이며이를위식에대입하여 output impedance 를구하면다음과같다. Output impedance = j1.503 아래그림에최대출력정합을위해 Conjugate matching 하였다. 29

그림 3-10. output conju 게이트 matching 계산된부하임피던스에의해서 conjugate matching 을시도한후발진기회로를완성한다. 그러나최대전력전달을구하는부하임피던스를구하는과정에서의수식자체가 RET 의특성을무시한간략화된수식이기때문에비선형특성을가지고있는 MESFET 발진기에서약간의오차가있을수있다.

36 그림 output conju 게이트 matching 계산된부하임피던스에의해서 conjugate matching 을시도한후발진기회로를완성한다. 그러나최대전력전달을구하는부하임피던스를구하는과정에서의수식자체가 RET 의특성을무시한간략화된수식이기때문에비선형특성을가지고있는 MESFET 발진기에서약간의오차가있을수있다. 따라서근사적인부하임피던스를구할수있을뿐이고실제설계시에는튜닝작업을어느정도거쳐야하는것이소신호설계방법의단점이라할수있다. 본논문의후반부에서새로운설계기법인 Device line method 첨가하였다. 이설계방법은출력전력에대한부하임피던스를직접구할수있기때문에소신호설계시에 output matching 을위해서일련의튜닝작업을거쳐야하는단점을많이보완할수있다. 30

37 그림 최종설계된시뮬레이션회로도 그림 3-11 은 output matching 를마치고최종설계된회로도이다. 설계결과 기준바이어스인 Vds 4V, Vgs 0.4V(Ids 40mA) 에출력주파수 10.02GHz 에서 출력파워 9.26dBm 으로 DC 효율은 4.5% 정도이다. 31

IV. X-Band 발진기의제작및측정 4.1 발진기제작 발진기를유전율 2.5, 두께 0.

그림 4-1. 제작을위한 film, 에칭, 실장작업 그림 4-1. 과같이설계된패턴의 layout.

38 IV. X-Band 발진기의제작및측정 4.1 발진기제작 발진기를유전율 2.5, 두께 0.58mm 인 Taconic 기판을사용하여제작하였다. 설계 된최종회로도에서부품간의실장및납땜면적을고려하여 layout 툴인 Autocad 로 작업하였다. (a) Negative film of layout (b) 에칭공정을끝낸기판 (c) 완성된발진기사진 그림 4-1. 제작을위한 film, 에칭, 실장작업 그림 4-1. 과같이설계된패턴의 layout. 은에칭공정을통해제작하였으며 패턴상의접지면적을최대한넓혀위상잡음및기생발진의방지를꾀하였다. Via hole 을뚫고도체를연결, 납땜시켜접지를안정시켰으며바이어스는동작점을 32

39 간단하게조정하기위하여직접인가방식으로결정하였다. 그림 4-1. 은왼쪽부터 차례로 negative film 작업결과, 기판에칭공정후, 그리고 MESFET 과 DC block capacitor, Connector 를실장한모습이다. 4.2 제작된 X-Band 발진기의측정 제작된발진기는 Hewlett Packard 사의 HP 스펙트럼분석장비를이용하여그특성을측정하였으며, 발진기에사용된 ATF MESFET 의 Vds 를고정한채, Vgs 를변화해가며발진특성을측정하였다. 그림 4-2 은설계시기준바이어스인 Vds=4V, Vgs=-0.4(Ids=40mA) 에서의조건에서발진주파수와출력, 그리고위상잡음을나타낸것이다. (a) 발진주파수와출력파형 33

40 (b) 위상잡음측정파형 그림 4-2. 설계된 X-Band 발진기의발진특성측정결과 그림 (a) 는스펙트럼분석장비에서기준레벨 (Ref)=20dBm, 주파수범위 (Span)= 100 MHz 로셋팅후발진출력과주파수를측정하였으며이때주파수는 GHz, 출력은 8.61dBm 으로측정되었다. (b) 는위상잡음을측정하기위해분석기의주파수범위를 1MHz 로좁혀측정한결과이다. 위상잡음의지표는 Hz 단위이지만스펙트럼분석장비의 RBW 가그렇게정밀하지못하기때문에그보다범위를높여측정한후 Hz 단위로계산을하는것이일반적인방법이다. 1MHz 의범위에서발진출력이최대가되는지점부터 off set frequency 의지점 (-50dBm) 까지 40kHz 가차이나는것을확인할수있었다. 이때의위상잡음은 58.65dBc/1MHz 이며 Hz 단위로계산하면, 58.65dBc + log(40khz) = 104dBc 로계산되며위상잡음은 -104dBc/Hz 가된다. 34

41 본논문에서는 X-Band 발진기설계외에동작점에따른출력의효율성을살펴보는데에있기때문에 Vgs 를변화시켜드레인전류를제어하고각동작점에대한드레인전류값에대해출력을확인해본다음효율성을분석해보고기존 amp 의동작점이론과상관성이있는지밝혀내고자함에있다. 일단 Vgs 를변화시켜드레인전류값에대한효율성을분석하기전에각동작점에대한주파수변화와출력전력변화의추이를먼저확인하였다 measurement simulation Frequency(GHz) IDS(mA) 그림 4-3. 드레인전류에따른주파수변화 35

42 Output power (dbm) simulation measurement IDS(mA) 그림 4-4. 드레인전류에따른출력변화 드레인전류변화에따른주파수의출력의변화를살펴보았을때, 주파수는 전류값에따라크게변화가없는것이확인되었으며출력전력에는주파수증가시 초기에출력이상승하나이후상승폭이거의없음을확인할수가있었다. 결국이 결과에서주파수에관계없이동작점을설정하여설계할수다는점과전류는 변화하나출력전력이크게변화하지않는다는것으로보아효율성의변화를예상할 수있다. 36

43 다음그림은드레인전류에대한효율성을도표로나타낸것이다. CLASS B range measurement simulation 12 Efficiency(%) CLASS AB range IDS(mA) CLASS A range 그림 4-5. 동작점에따른효율성분석 각각의동작점에대하여시뮬레이션과측정치를비교한것이다. 시뮬레이션결과와 측정결과가거의오차가없으며결과자체가뚜렷하다. 드레인전류가증가하는데 비해출력전력이크게증가하지않으므로그림과같이효율성이떨어진다. 결국 드레인전류에의하여효율은 3~14% 까지크게변화되며증폭기의동작점이론과 유사함을알수있다. 37

44 V. 새로운발진기설계기법에대한고찰 앞서기존의소신호설계법과일부 Harmonic Balance 방식을도입하여 X- Band 발진기를설계, 제작하고효율성에대한분석을하였다. 그러나기존의소신호설계법의한가지큰단점이있는데그것은바로발진기의 output matching 부분에관한것이다. 부하임피던스에대해 conjugate matching 을시도하는것이 output matching 의기본이나기존소신호설계법에서 output matching 을위한부하임피던스를구하는과정에서 amp 즉, MESFET 의특성을무시하기때문에정확한부하임피던스를구하는것이매우힘들다. 그러한결점때문에그동안발진기를설계시소신호설계법에의해근사적인부하임피던스를계산해내고반복적인시행착오법에의해최적의 output matching 를하는것이일반적인설계방법이었다. 이단점을보완하기위해여러가지로연구되었었고, 1976 년 Wagnar 가 micro wave journal 에 Device line method 이라는측정개념에의한부하임피던스측정법을처음발표한이래시뮬레이터의발전과더불어 1999 년 Mass 가 Device line method 에의한시뮬레이션방식을제안함으로써 Device line method 의토대가마련되었다. 이방식은출력파워에대한정확한부하임피던스를제공하며, 부하임피던스를정확히알수있기때문에 output matching 까지쉽게이루어지고출력전력또한설계시에예상이가능하다는장점이있다. 반면단점으로는대신호해석방법에 38

45 속하기때문에시뮬레이션시 MESFET 의정확한비선형라이브러리가요구되며이비선형라이브러리에의해시뮬레이션의결과의정확성이판가름난다는결점이있다. 그러나최근에는비선형라이브러리가많이정밀해졌기때문에크게고려할부분은아니라고판단된다. 5.1 Device line method 개념 2 PAVS PAVS ΓIN R S R IN ( A, ω ) 0 X IN ( A, ω ) 0 그림 5-1. Device line method 개념도 Device line method 의개념은다음과같이간단하다. 그림의소스단에서어떠한전력을인가하였을때반사전력을측정하여반사전력이최대가되는지점이발진출력이최대가되는지점이며어느경우에든반사전력에대하여임피던스, 즉부하임피던스를구할수있다. 반사전력을구하는수식은다음과같으며, P ADD AVS IN 2 ( 1) = P Γ (5-1) 39

46 다음의조건을만족해야한다. R IN ( ) RS 0 ϖ + > (5-2) 반사전력의특성상부쪽이부성저항을가지고있으며반사전력의측정이부정확해지기때문에소스쪽에부하쪽의부성저항보다큰저항을사용하여야한다. 설계방식의절차를대략적으로살펴보기위해기존의소신호설계법과 Device line method 의설계방식을간단히도표화하였다. Start Start FET 선택 Datesheet 확인작업 Yes K < 1 Terminate Network 구성 No Feed back for nagative resistance 튜닝필요 튜닝필요 FET 선택 Datesheet 확인작업 K < 1 Z 파라미터확인발진방지소스저항결정 Input Reflection Coefficient 확인 Device line 회로구성 Load impedance 설정 튜닝필요 신호전압인가원하는반사전력결정 Load Network 설계 Load impedance plot & matching network (a) 소신호설계법에의한방식 (b) Device line method 그림 5-2. 소신호설계법과 Device line method 의순서도 40

47 5.2 Device line method 방식에의한 X-Band 발진기설계 1. 설계목표 Device line method 방식에의한발진기의설계기준은다음과같다. 표 5-1. 설계기준 설계기준 비고 중심주파수 10GHz 발진출력 7+ dbm 위상잡음 -100dBc/Hz 트랜지스터 ATF Agilent사 시뮬레이터 ADS HP 사 2. 트랜지스터동작점선정 그림 5-3. ATF 의동작점선정 41

ATF-34143 의동작점으로는 A 급인 Vgs 4V, Ids 68mA 로선정하였다. 동작점 CLASS A 의전류값은다음과같이정하였다. ( IDSS 1.3) 2 = 68mA CLASS A 의위치는최대전류 IF, 보통 IDSS 가최대전류로알려져있지만 실제적으로조금더높으며 IDSS 전류값의 1.3 배이다.

48 ATF 의동작점으로는 A 급인 Vgs 4V, Ids 68mA 로선정하였다. 동작점 CLASS A 의전류값은다음과같이정하였다. ( IDSS 1.3) 2 = 68mA CLASS A 의위치는최대전류 IF, 보통 IDSS 가최대전류로알려져있지만 실제적으로조금더높으며 IDSS 전류값의 1.3 배이다. 그리고이최대전류값을 IF 의중간지점이 CLASS A 의위치가된다. 5.3 기본회로구성및발진방지용신호입력단의저항값계산 그림 5-4. 소스부하성용량을이용한발진기기본회로 FET 소스단의부하성용량길이를조정하여발진특성을얻어내는형태의회로이다. 간략한형태로 DC block capacitor 100pF, RF choke 는 ADS 에서제공하는이상 42

49 적인 RF feed inductance 를사용했으며게이트단은바이어스인가를제외하고는접지시켜 termination port 로이용했다. Device line simulation 을하기전에반사전력을정확히측정하기위해발진을방지해야하며발진을방지하기위해신호입력단에발진기회로의부성저항보다큰저항값을첨가해야한다. 그림 5-5. 발진기회로를바라본 Z 임피던스 ( 소스 stub 2.5~4mm) 위그림은 FET 의소스단에용량성부하길이 2.5~4mm 까지의발진기회로를바라본 Z 임피던스이다. 이때설계하려고하는 10GHz 에서부성저항을가질수있는최대임피던스가 -126 Ohm 이므로신호입력단에 126 Ohm 이상의저항을달아주어야한다. 본논문에서는편의상 500 Ohm 의저항을첨가하였다. 43

50 5.4 반사전력측정 그림 5-6. 반사전력을측정하기위한 Device line method 의회로도 그림 5-6 에서보는바와같이신호입력단에 500 Ohm 의저항을첨가하였으며반사전력을측정하기위해신호입력단에인가전력 (pwr) 에대한반사전력의수식을 ADS 상에서프로그램화하여적용시켰다. 인가전력을 0~20dBm 으로변화하면서반사전력을측정한결과는다음과같다. 그림 5-7. FET 의소스부하성용량길이의변화에의한반사전력측정 44

51 FET 의소스단스터브의길이가 3mm 일때최대의출력을예상할수있으나 0.5mm 만벗어나도회로의불안정성을가져올수있다. 본논문에서는 FET 의소스스터브길이 2.5mm 로결정하였다. 각소스스터브의길이에따른부하임피던스는다음과같다. 그림 5-7. 소스스터브길이에따른부하임피던스 5.5 부하임피던스계산및 Output matching FET 의소스단스터브의길이 2.5mm 일때의반사전력을측정한그림이다. 16dBm 을소스로부터인가했을때 28.5mW 의출력전력을예상할수있다. 45

52 그림 5-8. 인가전력에따른반사전력측정 ( 소스스터브길이 2.5mm) 인가전력 16dBm 일때의부하임피던스를스미스차트에서구할수있다. 그림 5-9. 부하임피던스의계산 46

53 신호입력단의인가전력이 16dBm( 출력전력 28.5mW 예상 ) 일때의부하임피던스를구하기위해 1/S11 의스미스차트를플랏한다. 이발진회로에서의부하임피던스는위에마커표시한것과같이 Z0*(0.136-j0.102) 이다. 이때주의할점은 Z 임피던스가 500 Ohm 으로 nomalize 되어있는것을기억해야한다. 다시계산하면부하임피던스는 50*(1.36-j1.02) Ohm 이된다. 47

그림 5-10. Output matching 회로도 부하임피던스에대하여 Conju 게이트 matching 을시도한그림이다. 직렬라인과 구현이간편한 open stub 로구현하였다. 5.6 Harmonic Balance simulation 에의한결과확인 지금까지 Device line method 의개념에따라발진기의소스용량성부하를결정하고 output matching 를간단히구하였다.

54 그림 Output matching 회로도 부하임피던스에대하여 Conju 게이트 matching 을시도한그림이다. 직렬라인과 구현이간편한 open stub 로구현하였다. 5.6 Harmonic Balance simulation 에의한결과확인 지금까지 Device line method 의개념에따라발진기의소스용량성부하를결정하고 output matching 를간단히구하였다. 이렇게설계된 Device line method 으로만들어진발진기회로의타당성을규명하기위해 Harmonic balance simulation 을감행하였다. ADS 에서제공하는 Harmonic balance simulation 으로설계된회로의출력주파수, 발진출력, 위상잡음을측정할수있다. 그림 Harmonic balance simulation of a X-Band oscillator 48

55 by Device line method 그림 38. 설계된발진기의출력주파수와발진출력결과 그림 위상잡음 (-84.5dBc/10kHz) 설계된발진기의출력주파수는 9.987GHz 에서발진출력이 14.4 dbm 이었다. 설계시예상되는출력은 28.5mW 였으며 dbm 단위로보정하면 dBm 로 0.148dBm 의근사한오차를보이고있다. 위상잡음은 Hz 단위로보정하면 log = 로계산된다. 위상잡음은 dBc/Hz 로설계목표 -100dBc/Hz 를만족하고있다. 49

56 VI. 결론및고찰 본논문에서는초고주파부품의설계에널리적용되고있는 MESFET 을이용한 X-Band 발진기를설계 / 제작하고실험을통해그특성을확인하였다. 공진주파수는설계목표인 10GHz 에서 200MHz 정도 shift 된 9.8GHz 에서발진되었으며발진출력은설계시의목표인 9.26dBm 에서 1dBm 이하의오차로 8.65dBm 의특성을가졌다. 주파수에대한오차는수mm 를오가는라인의길이에도크게영향을받는받기때문에제작상의오차와, 납땜에대한손실, 최종적으로비선형라이브러리에대한오차까지의복합적인손실로판단된다. 그에반해출력은상당히만족하는결과가나왔기때문에주파수튜닝없이효율성분석을감행하였다. 동작점에따른주파수, 출력, 효율성에대하여다각도로분석하였으며시뮬레이션과측정치의특성이일치하였다. 분석결과효율은 3~14% 까지드레인전류가감소함에따라효율성이큰폭으로증가하는것을확인할수있었으며이때, 주파수와출력의변화는미비하였다. 분석결과증폭기의동작점이론과유사함을규명할수있었고앞으로의발진기설계시효율성개선부분에있어하나의참고자료가될수있을것이다. 새로운발진기설계기법이라할수있는 Device line method 를이용하여 10GH X-Band 발진기의설계를하였으며설계시발진주파수 10GHz, 예상출력전력 28.5mW(14.5dBm) 에서 Harmonic balance simulation 으로분석결과발진주파수 9.987GHz, 출력전력 25.1mW(14dBm) 으로기존의소신호설계방법에비해 50

57 신속하고정확하게설계할수있었다. 그러나소신호설계방법도비선형라이브러리없이산란계수만가지고설계가가능하다는이점이있기때문에이두가지방법을적절히혼용하면발진기설계에있어더욱더정확함과신속함이더해질것으로본다. 본논문에서연구한두가지테마, 동작점에대한효율성의분석과 Device line 설계방법은앞으로발진기설계방법자체에있어많은개선과응용의토대가될수있을것으로판단된다. 51

58 참고문헌 [1] Guillermo Gonzalez, Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design, Prentice-Hall, [2] Allen Sweet, MIC & MMIC Amplifier and Oscillator Circuit Design, Artech House, [3] David M. Pozar, Microwave Engineering 2nd ed., John Wiley & Sons Inc., [4] Eric D. Holzman, Solid-State microwave Power Oscillator Design, Artech House, Inc., [5] K. M. Johnson, Large Signal GaAs MESFET Oscillator Design, IEEE Trand. Microwave Theory Tech., Vol. MTT-34, No. 1, pp. 19~25. Jan [6] W. Wagnar, Oscillator Design by Device Line Measurement, Microwave Journal, Feb [7] S. Mass, Oscillator Design on Any Harmonic-Balance-Simulator, Micro wave Journal, July [8] David M. Pozar, Microwave and RF Design of Wireless Systems, John Wiley & Sons, Inc

59 감사의글 대학원에입학한지가엊그제같은데벌써이렇게시간이흘러졸업을앞두게되었습니다. 그동안저를지켜보고아껴주신모든분께이논문과함께감사의마음을전합니다. 먼저이논문이완성되기까지많은지도를해주신지도교수안병철교수님과논문심사에참여하시어아낌없는조언을해주신최익권교수님, 안재형교수님께감사의말씀을전합니다. 아울러이논문이완성될수있게전문적인조언을아끼지않았던한밭대의이창석교수님께감사의말씀을전합니다. 연구실의맏형인재훈이형, 고등학교선배인재균이형, 광원이형그리고수라선배, 언제나친구같이편안한영민이형, 선배이자후배인석곤이, 선배도균이형, 선배이자친구인종대, 상길선배, 지혜, 순미, 윤미, 같이졸업하는병석이, 리화, 범용, 선영, 연구실에서꿈을키워가고있는후배준문형, 재용, 성학, 민석, 상신, 승모, 정민, 경민, 성배, 지금은다른곳에서꿈을키워가고있는지한이, 상규, 종성, 용민, 병철, 동숙, 숙랑, 향호, 혜순이에게도감사의마음을전합니다. 누구보다지금까지이시간이되기까지한없는사랑과믿음을보내주신아버지, 어머니, 그리고항상내편이되어준하나밖에없는나의형, 언제나힘들고지쳐있을때나에게큰힘이되어준사랑하는여자친구가영이에게이보잘것없는논문과함께감사의마음을전합니다. 가슴속에많은것들을뒤로한채이제학교의울타리를벗어나사회에서꿈을펼 53

60 쳐보고자합니다. 선후배, 동기, 친구, 그리고저를아껴주신모든분들의관심과격 려속에더큰결실을맺기위한하나의작은결실을완성하며이모든기쁨을사랑 하는여러분들에게바칩니다. 54

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