工學碩士學位論文 저위상잡음 PLDRO 설계및제작에관한연구 Design and Fabrication of Low Phase-Noise PLDRO 指導敎授 趙炯來 2005 年 2 月 韓國海洋大學校大學院 電波工學科 金東識
本論文을金東識의工學碩士學位論文으로認准함 委員長 工學博士閔庚植 印 委員 工學博士鄭智元 印 委員 工學博士趙炯來 印 年 月 韓國海洋大學校大學院 電波工學科 金東識
목 차 Abstract Nomenclatures Abbreviations ⅱ ⅲ ⅳ 제 1 장서론 1 제 2 장발진기의개요 4 2.1 부성저항의개념 4 2.2 발진기의평가요소 7 2.3 발진기의구성 9 제 3 장유전체공진발진기의원리 11 3.1 유전체공진기의개념 11 3.2 유전체공진기의모델링 12 3.3 유전체공진기등가회로변환 16 3.4 유전체공진발진기의종류 20 3.5 유전체공진발진기의발진조건과안정도 22 3.6 VCTDRO 29 제 4 장 PLDRO의설계및측정 32 4.1 PLDRO의구조 32 4.2 설계및제작 33 4.3 측정및결과 39 제 5 장결론 44 참고문헌 46
Abstract Recently, there has been a growing interest in the development of microwave and millimeter wave communication system. These systems require actually minimization of the size, the weight and cost reduction in circuits. Especially, the resonator as an important part of a transmitter-receiver module must has the excellent characteristics than others, since it gives a direct effect on the whole system performance. The DR (dielectric resonator) is used often a resonator because it has high permittivity and high quality factor. In this thesis, a PLDRO (phase locked dielectric resonator oscillator) of low phase noise has been designed and fabricated for 18 GHz microwave repeater of mobile communication system. A design algorithm of DRO (dielectric resonator oscillator) has been presented using an equivalent circuit model of dielectric resonator. A VCTDRO (Voltage controlled dielectric resonator oscillator) using the varactor diode and DRO at 7 GHz has been considered and fabricated. For a PLDRO, a SPD (sampling phase detector), loop filter, amplifier, and TCXO as a reference were employed and tested. Based on the test result, the thesis shows that an output power of 10 dbm, 2nd harmonic of -51.27 dbc and phase noise of -98.61 dbc/hz at 10 khz and -102.03 dbc/hz at 100 khz has been observed. The proposed PLDRO and the conventional product in terms of the characteristics of phase noise were compared and evaluated.
Nomenclatures C : Capacitance f LO : Local Oscillator Frequency IL : Insertion Loss K : Stability Factor L : Inductance L e : Equivalent Inductance of Resonator L m : Mutual Inductance Q : Quality Factor Q 0 : Unloaded Q Q ex : External Q Q L : Loaded Q R : Resistance Z : Impedance Z in : Non-linear Impedance Z L : Load Impedance Γ : Reflection Coefficient : C-V Characteristic Curve ε : Permittivity β : Coupling Coefficient φ : Inner Potential Constant ω 0 : Resonant Frequency
Abbreviations BER BJT CDMA DR DRO EVDO FET HBT : Bit Error Rate : Bipolar Junction Transistor : Code Division Multiple Access : Dielectric Resonator : Dielectric Resonator Oscillator : Evolution Data Only : Field Effect Transistor : Heterojunction Bipolar Transistor IMPATT : Impact Avalanche and Transit Time MESFET : Metal Semiconductor Field Effect Transistor MMIC MSL PLDRO PLL SNR SPD TCXO : Monolithic Microwave Integrated Circuit : Microstrip Line : Phase Locked Dielectric Resonator Oscillator : Phase Locked Loop : Signal to Noise Ratio : Sampling Phase Detector : Temperature Compensated X-tal Oscillator VCTDRO : Voltage Controlled Transistor Dielectric Resonator Oscillator VSWR : Voltage Standing Wave Ratio
제 1 장서론 최근들어위성, 이동통신그리고각종상업용제품등의분야에서마이크로파와밀리미터파의이용이확대됨에따라각소자들의소형화와가격등의절감이절실히요구되고있다. 특히발진부는송 수신모듈의핵심부품중의하나로서전체시스템성능에직접적인영향을미치기때문에다른부분보다도우수한특성을갖추어야한다 [1]. 마이크로파에서발진기의성능을나타내는요소에는위상잡음, 주파수안정도, 온도안정도그리고출력등이있는데, 특히발진기의위상잡음은아날로그수신기의 SNR을감소시키고, CDMA 디지털통신용송 수신기의 BER을높이며, 통신채널간의간격을제한하고, Homodyne 방식의레이더시스템에서는해상도를저해하는등의각종문제를야기시키기때문에특히발진기에서는첫째로높은온도안정성과낮은잡음특성을가져야한다. 최초의마이크로파발진기는 1930년대레이더의신호원으로진공관발진기가쓰였으며, 이장치는큰출력과높은발진주파수를얻을수있는장점이있으나부피가컸다. 그후, 1960년대후반에 Gunn 다이오드나 IMPATT 다이오드를사용한고체소자발진기가등장하였다. 고체소자발진기는진공관발진기에비하여부피가작으며신뢰성이높고싼가격으로만들수있는저잡음발진기이다. 그러나발진특성이다이오드자체의물리적특성에의해영향을받는결점이있다. 이후 1970년대후반에등장한트랜지스터발진기는발진기를이루는회로의구조및구성소자에의해서발진특성이결정되며, 불요주파수문제가없고효율이좋아 MIC나 MMIC화하는데유리하다 [2]. 또한발진기에사용되는공진기에는 MSL 공진기를사용하는방법과공동 (Cavity) 을사용하는방법, 유전체공진기 (DR) 를사용하는방법이있다. 먼저, MSL 공진기는부피가작고경량이며부품들사이의연결문제에큰어려움이없고제작이간편한장점이있지만, 복사손실과스트립선로자체의기판에서의유전체손실로인해 Q값이나쁘고위상잡음특성이좋지않은결점이있어, 광통신및위성통신시스템과같이정밀하면서도저손실의소자를요구하는회로에있어서는사용이제한되어져왔
다. 다음으로공동을사용하는방법은 Q값이좋지만온도에따라공동의크기가변하여공진주파수의변화폭이크다. 그래서같은동작주파수를갖는공동공진기보다부피가작고, 손실도훨씬낮은유전체공진기로대체하여사용되면서마이크로파회로의소형화에커다란진보를가져왔다. 비유전율이크고손실이적은유전체공진기는제작비용을절감할수있으며, 높은 Q값과온도에대한안정성등으로인하여마이크로파대역의여파기와발진기등에서동작특성의개선과소자의소형화를위해많이이용되고있으며, 현재에는그응용분야가안테나까지확대되고있다 [3]. 이동통신의발달은음성통화를기반으로하는 Cellular 및 PCS 이용자가유선전화가입자를앞지르고있으며, 이와같은시장을기반으로초고속이동인터넷을구현하기위한 CDMA-1X EVDO 서비스를위한기술개발에박차를가하고있다. 그동안 Cellular 및 PCS의음영지역개선을위한많은종류의중계기를개발하였다. 그러나기존의중계기는이미상용화가진행중인가변변조방식의 EVDO 서비스에적용할때, 데이터전송율을저하시키는문제점이있다. 이동통신에사용되었던여러가지형태의중계기가운데광중계기, 인빌딩중계기, M/W중계기를전파음영지역개선에사용될예정이다. 특히 M/W대역을이용한중계장치는광중계장치, RF 중계장치보다구축이빠르고유지보수가간편하며광선로임대비나유지비용이월등히낮을뿐만아니라 RF 중계장치와같은발진의위험이없다는장점을가지고있다. 따라서 18 GHz를사용하여가변변조방식의 EVDO 신호를음영지역까지양질의전파특성과높은데이터전송율을유지하여전송할수있는 18 GHz 중계기의개발이필요하고또한 18 GHz 중계기의개발을위해선위상잡음및위상흔들림특성이개선된 Local Oscillator 개발이필요하다. 본논문에서는 18 GHz대역 Microwave 중계기의송수신부에사용되는높은주파수안정도와낮은위상잡음특성을갖는 Local Oscillator를구현하기위하여높은 Q값을갖는유전체공진발진기 (DRO) 를사용하였다. 유전체공진발진기를구현하기위하여먼저원통형유전체공진기 (Cylindrical DR) 를이용하여중심주파수 7 GHz의유전체공진발진기를설계 제작하였다. 이렇게설계된유전체공진발진기에튜닝을위하여
Varactor 다이오드를부착하여 VCTDRO를설계하였고 VCTDRO에높은주파수안정도를갖는 PLL을이용하여 Local Oscillator인 7 GHz PLDRO 를설계및제작하였고제작된 PLDRO는알루미늄케이스를이용하여외부로부터의영향을차폐시키고, Spectrum Analyzer와 Network Analyzer를이용하여특성을측정하였다. 또한업체에서상용화된 PLDRO와위상잡음및 Harmonics 특성에대해비교하였다.
제 2 장 발진기의개요 발진기에대해간단히정의해보면직류전원을 RF 에너지로변환시키는변환기이다. 발진기는단자에직류전원이인가되었을때단일주파수또는복소주파수에서전자계에너지를발생하는것이다. 또 RF 입력없이 RF 전력을발생시키는동작을한다. 이는주파수의순수성을가지고 RF 신호를증폭시키는역할을하는것이다. 소자측면으로볼때발진기는비선형소자로써 2단자소자인 Gunn 다이오드, IMPATT 다이오드, Tunnel 다이오드와 3단자소자인 MESFET, BJT, HBT 등을이용하는것이다. 회로측면으로볼때발진기는소자단자에직류바이어스를전달될때발진을유도하는구조를말하며소자는 Microstrip Line, 집중소자에의해주파수가조절되어지는것이다. 2단자발진소자를이용한발진기들의특성을살펴보면다음과같다. Gunn 다이오드발진기는낮은 FM 잡음을가지며, IMPATT 다이오드발진기는 Gunn 다이오드발진기보다높은효율과전력을이용할수있다. 또다이오드발진기의경우에는원하는출력을전달하는출력정합회로설계가용이하다는점이있고, 주파수범위가소자의물리적인특성에의해결정되어진다는특징이있다. 반면에 3단자발진소자인트랜지스터를이용한발진기는높은효율과낮은잡음을갖는다. 또한발진에필요한부성저항을얻기위해서때로는직렬또는병렬궤환회로가필요하다. 주파수범위는이러한궤환회로의방식에따라결정되어지는것이특징이다. 표 2.1은발진소자에대한일반적인특징을요약해본것이다 [4]. 2.1 부성저항의개념 발진기는직류전력을교류전력으로전환하는에너지변환소자이다. 모든에너지변화소자처럼발진기도열역학적인면을고려해볼때 100 % 의변환효율을가지지는못한다. 회로적인관점에서발진기를모델링하기위한기술들은회로소자로써에너지변환을표현하는것으로발전해왔다. 이러한개념으로부성저항의개념이도입된것이다. 부성저항을이
표 2.1 발진소자의특성 Table 2.1 Characteristic of oscillation elements. Diode Transistor GaAs Gunn IMPATT BJT MESFET Noise & Higher efficiency & low FM noise High FM noise low FM noise Efficiency higher power device (6~10 db이하 ) (6~10 db이상 ) feedback feedback 물리적인물리적인 Frequency topology에 topology에의해 mechanism에 mechanism에 Range 의해결정결정의해결정의해결정 (~ 20 GHz) (~ 100 GHz) Power[mW] 100 @ 100 GHz 100 @ 100 GHz 10 @ 40 GHz 해하기위해서는먼저일반적인저항이어떻게동작하는지에대해알아야한다. 그림 2.1(a) 에서보는바와같이저항 R 양단에전압 V가인가되는경우저항에는전류 I = V / R 이흐르게되고 I 2 R이라는전력이소모되게된다. 그림 2.1(b) 에서는전원에서전압 V가인가될때부성저항 -R에서전류 I = V / R 가전원쪽으로흐르게된다. 이는곧 I 2 R이라는전력을발생하는것이다. V I R I V -R (a) (b) Fig. 2.1 그림 2.2 부성저항개념 (a) 양성저항 ; (b) 부성저항 Negative resistance concept (a) Positive resistance ; (b) Negative resistance.
Pin circulator incident reflect Pout Z0 -R Fig. 2.2 그림 3.2 부성저항을이용한반사증폭기 Reflection amplifier using negative resistance. 부성저항의다른적용으로그림 2.2에서보는바와같이반사형증폭기가있다. 그림 2.2에서 circulator는입력파와출력파를격리시키는역할을하는소자이다. 이때반사형증폭기의이득을 db관점으로볼때다음과같다. G= 20log 10 Γ Γ= Z- Z 0 Z+Z 0 (2.1) Γ 는 Z 0 의전송선로에연결되는임피던스 Z 의반사계수이다. 만약에부 성저항 -R 이전송선로에연결된다면식 (2.1) 의 Z 에부성저항 -R 을대입시 킨후반사형증폭기의이득인반사계수는다음과같이된다. Γ = R+ Z 0 Z 0 -R (2.2) 만일부성저항 R 의크기가선로의특성임피던스보다크다면이득은 1 보다크게되어증폭기로서역할을하게되는것이다 [5].
2.2 발진기의평가요소 2.2.1 출력전력 발진기의출력전력은예측하기는어렵지만출력이대전력증폭기에서트랜지스터의포화전력보다작다는것을예측할수있다. 발진기의출력신호는다음단에연결되는회로의특성과밀접한관계가있다. 국부발진기는일반적으로혼합기에연결이되므로혼합기의특성과밀접한관계를갖는다. 2.2.2 푸싱피겨 (Pushing Figure)[Hz/V] 직류전원의바이어스의변화에의해발진주파수가변하는것을말한다. 이는직류바이어스전압의변화에대한출력주파수의민감성과관계하는것이다. 통신시스템에서의통신기기의전원이불안정하게동작할수도있기에이러한전원전압의변화에대한정상적인동작을어느정도보장할수있어야하고과전압인경우역시정상적인동작을해야한다. 따라서주파수천이에대한성능은전원전압에대해 ±10 % 를변화시켰을때의주파수변화를의미한다. 이는직류전원바이어스에서안정기 (Regulator) 를사용하면최소화할수있다. 2.2.3 풀링피겨 (Pulling Figure) 풀링피겨는회로의임피던스가교란되는것에의해발진주파수가변화에영향을미치는부하임피던스의변화이다. 발진기의출력단자에부하임피던스를변화시켰을때출력주파수의변화치를규정하는것으로부하안정도라고도부른다. 규정된측정조건하에서출력쪽에부하를변화시키는튜너를연결시키고정재파비 (VSWR) 를 2로고정시킨후위상을변화시키면서주파수변화를측정하게된다. 이는발진기회로에서높은 Q값의공진기를쓰거나발진기와부하사이를격리시키는것에의해최소화할수있다.
2.2.4 잡음 (Noise) 2.2.4.1 AM 잡음과 FM 잡음 AM 잡음은발진기출력전력크기면에서의변화를나타내는것이고, FM 잡음은발진기출력주파수의짧은순간의변화를나타낸다. 2.2.4.2 위상잡음 (Phase Noise) 발진기출력의위상변조량을나타내는것이다. 이는발진회로성능을결정짓는가장중요한항목중의하나로출력되는발진신호파형의순수도를평가하게된다. 이는정해진조건하에서발진신호의피크레벨과오프셋포인트에서의정규화된 ( 보통 1 Hz 단위로정규화함.) 잡음전력의비로써표시한다. 발진기에서는모든전력이발진주파수에집중되지가않고어느정도의전력은발진주파수의양쪽주파수밴드에분산되어나타난다. 이러한양쪽밴드에서의원하지않는주파수성분을발진기의위상잡음이라고한다. 송수신기에의한위상잡음이그림 2.3에나타나있다. 수신기에서 RF 신호를 IF 신호로하향변환하기위해 f LO 는원하는채널에서 IF 신호만큼의차를둔주파수에고정되어진다. f LO 주위의위상잡음은같은 IF 신호만큼의차에있는근처채널을하향변환시킬것이다. 인접한채널의가장큰스펙트럼은수신기의 f LO 에근접한꽤좋은위상잡음으로써제한되어질것이다. 송신기에서의위상잡음은근처약한채널을매몰시킬수도있다. 이는위상잡음주파수밀도 (Spectral Density) 가송신신호와함께직접적으로커지고송신기신호양쪽에서의강한잡음이같은주파수상의다른신호보다클지모르기때문이다. 2.2.5 고조파응답 (Harmonics Response)[dBc] 발진회로는비선형소자인트랜지스터또는다이오드에의해비선형특 성을가지게된다. 이러한비선형특성에의해발진회로의출력스펙트럼
Unwanted Channel LO Tx Phase Noise IF Frequency Nearby Channel Frequency (a) (b) 그림 2.3 송수신기에서의위상잡음 (a) 수신기에서의국부신호에의한원하지않는하향변환 ; (b) 송신기에서의국부신호의위상잡음에의한근처약한채널의매몰 Fig. 2.3 Phase Noise of a receiver (a) Unwanted downward transformation by local signal in receiver ; (b) Burying the nearby weak channel by local signal's phase noise in a transmitter. 에는기본발진주파수 (Fundamental Frequency) 의정수배주파수성분 (Harmonics) 이존재하는데, 기본발진주파수성분과원치않는고조파성분과의레벨차이를규정하는항목이발진주파수에대한고조파응답이다. 보통 2차고조파성분과의레벨차이를의미하나, 만약 2차고조파성분보다큰고조파성분이있는경우그성분과의레벨차이를의미하게된다 [2]. 2.3 발진기의구성 고정주파수발진기 (Fixed Frequency Oscillator) 는능동소자를포함하여 AC 전력을생성하는부성저항부와발진주파수를안정시키는공진부, 부하에큰출력이전달되도록하는임피던스정합부그리고부하 ( 보통 50 Ω) 로구성되었다. 일반적으로트랜지스터발진기는그림 2.4에나타나있다. 보통트랜지스터는 GaAs MESFET, BJT 등으로궤환을이용하여부성저항을만들어사용하게된다.
직류전원인바이어스회로는트랜지스터에전압과전류를공급하여직류동작특성을규정지어지고, 이렇게바이어스가잡힌트랜지스터는유용한주파수범위에서부성저항성분을띄게된다. 그림 2.4에서의 Z T 의저항성분이음의값을갖는경우이다. 트랜지스터가원하는주파수에서안정된동작을보이는경우발진기로사용이불가능하기때문에불안정하게하기위해궤환회로를연결한다. 또공진기는트랜지스터의부성저항성분에연결하여발진기를구성하며, 이때공진기의 Q값은발진기의출력위상잡음에많은영향을미치므로큰것을사용하는것이좋다. 부하는트랜지스터의출력에연결하여사용되어진다. DC 바이어스 공진기 Si BJT or GaAs FET Rload ZR ZT 궤환회로 Fig. 2.4 그림 2.5 초고주파트랜지스터발진기의블록도 Block diagram of microwave transistor oscillation.
제 3 장 유전체공진발진기의원리 유전체공진기를이용한마이크로파발진기는그특성이온도에대해안정하며, 마이크로스트립라인을이용할때구조가비교적간단하고조정이용이한장점이있다. 또한발진주파수에서의 Q값이매우높으며주파수조정범위도비교적넓다. 따라서마이크로파회로에서효과적으로유전체공진기를사용하기위해서는여러형태의전송선로와유전체공진기사이의결합형태를정밀하게파악해야한다. 3.1 유전체공진기의개념 일반적으로유전체공진기는원통형 (Cylinder type), 관형 (Tubular type), 구형 (Spherical type), 평행육면체형 (Parallelepiped type), 그리고동축형 (Coaxial type) 등으로구분되어진다. 본논문에서는원통형유전체공진기를채택하였고, 원통형유전체공진기의공진시기본모드인 TE 01δ 모드에대한자기력선을그림 3.1과같이나타내었다. Z E H Y X 그림 3.1 고립형유전체공진기의 TE 01δ 공진모드에서의자기력선 Fig. 3.1 Magnetic field lines of the resonant mode TE 01δ in an isolated dielectric resonator.
3.2 유전체공진기의모델링 유전체공진기의공진모드는공진기의크기에따라결정된다. 에너지는공진기내부에저장되고외부자계는외부의회로와결합된다. 만일공진기가 isolation 된다면자계가방출되고, 방사손실로인하여 Q값이급속히감소한다. 이러한방출손실을최소화 (Q값증가 ) 하기위하여금속 cavity 안에서사용되어져야한다. 차폐된유전체공진기의구조는그림 3.2와같다. 이러한구조에는중요모드인 TE 01δ 가있는데이는마이크로스트립라인과쉽게결합하기때문에많이사용되어지고그림 3.3에서처럼이모드의자계는대칭성을이룬다 [3]. 금속판 유전체공진기 D h1 Substrate H h2 금속판 Fig. 3.2 그림 3.2 유전체공진기의표준환경 Standard environment of dielectric resonator. H H D E E 그림 3.3 TE 01δ 모드자계분포 Fig. 3.3 TE 01δ mode magnetic distribution.
하우징 d Substrate hs Microstrip 유전체공진기 그림 3.4 마이크로스트립라인과유전체공진기의결합 Fig. 3.4 Coupling between microstrip line and dielectric resonator. 유전체공진기와마이크로스트립라인의결합은그림 3.4에서처럼자기에의해결합하며마이크로스트립라인에수직하게자기모멘트의원점으로부터이루어진다. 유전체공진기는공진주파수에서 RF 에너지가반사되고마이크로스트립라인과의결합도를조절하기위해거리 d를조정하면서위치시킨다. 공진기의등가회로는그림 3.5(a) 와같고공진기는자계결합을통하여마이크로스트립라인과결합한다. 이그림에서 L r, C r, R r 들은유전체공진기의등가파라미터이고, L t, C t, R t 들은마이크로스트립라인의등가파라미터들이다. 자기결합은상호인덕턴스 L m 에의해나타내어진다. 결합면에서마이크로스트립라인이손실이없다고가정했을때그림 3.5(b) 와같이간략화시킬수있으며또한그림 3.5(c) 와같은형태로나타낼수있다. 그림 3.5(b) 에서마이크로스트립라인을포함한변환된임피던스를구하면, Z t = jωl 1 + ω 2 L m 2 R r +jωl r + 1 jωc r (3.1)
Rr Cr Cr Rr Lr Lr Lm Lm Ct Rt Lt Zt Lt (a) (b) Rr Lr Lm + Lr L Cr Rr Cr Z0 Lm + L1 L -Lm Z0 (c) (d) Fig. 3.5 그림 3.5 유전체공진기의등가회로와마이크로스트립라인의결합 Coupling between Equivalent circuit of dielectric resonator and microstrip line. 공진주파수근처에서 ωl 1 은무시되므로식 (3.1) 은다음과같이근사 화할수있다. Z t ωq 0 + L2 m L R 1 1+ jx (3.2) 여기서 는다음과같다. X= 2Q 0 (δω/ω), δ= (ω- ω 0 )/ω 0 이고, unloaded Q 와공진주파수 Q 0 = L r ω 0 R r (3.3a)
ω 0 = 1 L r C r (3.3b) 공진주파수에서 X = 0 이므로변환된임피던스는다음과같은실수가 된다. Z t = R= Q 0 ω 0 L 2 m L r (3.4) 식 (3.4) 는그림 3.5(a) 에서보여진등가회로를그림 3.5(d) 와같은병렬 동조회로로간단히나타낼수있는식이다. 여기서 L, R, C 는다음과같 다 [3]. L= L2 m L r C= L r ω 2 0L 2 m R= Q 0 ω 0 L 2 m L r (3.5a) (3.5b) (3.5c) 공진주파수 ω 0 에서결합계수 β 는 β= R = R = ω 0Q 0 L 2 m (3.6) R ext 2Z 0 2Z 0 L r 이고 S 110 과 S 210 을마이크로스트립라인과결합했을때의공진주파수 에서각각반사계수와전달계수라고한다면결합계수 이나타낼수있다. β 는다음과같 β= S 110 1-S 110 = 1- S 210 S 210 = S 110 S 210 (3.7)
식 (3.6) 에서 대한함수이다. L r /L 2 은공진기와마이크로스트립라인사이의거리 d에 m β= 1(critical coupling) 은유전체공진기에서소모된에너지와외부회로 (external circuit) 에서소모되는에너지가같을때발생한다. 즉, 반사된에 너지와전달된에너지의양이같다 ( S 110 = S 210 = 0.5 ). 차폐된유전체공 진기에서소모되는에너지는 P d = 1- S 110 2 - S 210 2 (3.8) 이고, 결합계수 β 또한 Q 값에대한관계는다음과같다. Q 0 = Q L (1+ β)= βq ex (3.9) Q 0, Q L, Q ex 는각각 unloaded, loaded, external Q 값을나타낸다 [3]. 3.3 유전체공진기등가회로변환 유전체공진기의등가회로는이미앞절에서구체화했다. 이절에서는유전체공진기의등가회로값의추출을위한 Q값의측정에대해논하고자한다. 유전체공진기와마이크로스트립라인의관계를그림 3.6과같이재구현해보았다. 그림 3.6(b) 에서임피던스 Z는 Z= 1 s Z s 2 + s RC + 1 = 1 s C s 2 + 2αs+ ω 2 0 LC (3.10) 2α= 1/RC,ω 0 = 1/ LC 이며 s= jω 로놓으면식 (3.10) 은 Z= R 1+ j2q 0 δ (3.11)
X Y d Z0 θ Y X θ Z0 E (a) θ Z L θ R Z0 C Z0 E ΓY Y Z XX (b) 그림 3.6 유전체공진기와마이크로스트립라인의결합등가회로 (a) 유전체공진기와마이크로스트립라인결합 ; (b) XX' 축에서의등가회로 Fig. 3.6 Coupling equivalent circuit of dielectric resonator and microstrip line (a) Coupling dielectric of resonator and microstrip line ; (b) Equivalent circuit in XX' axis.
여기서, δ= ω - ω 0 ω 0 그림 3.6(b) 의 XX' 축기준에서 normalized 입력임피던스는식 (3.11), (3.6) 에의해 z in = 2β 1+ 2jQ 0 δ + 1 (3.12) 이다. 따라서마이크로스트립라인에결합된유전체공진기의 S-parameter 는식 (3.13) 으로주어진다. S R = β β+ 1+ jwq 0 δ 1+ j2q 0 δ β+ 1+ j2q 0 δ 1+ j2q 0 δ β+ 1+ j2q 0 δ β β+ 1+ j2q 0 δ (3.13) 그림 3.6(b) 에서입력단의반사계수는다음과같다. Γ YY = β j( 2θ+ - 1 2Q 0 δ tan (β+ 1) 2 + (2Q 0 δ) 2 e- β+ 1) (3.14) 등가모델에서병렬 R, L, C의값을구하기위하여그림 3.6(b) 를그림 3.7(a) 로등가화할수있고, 그림 3.7(a) 는공진주파수에서 C와 L은서로상쇄되므로그림 3.7(b) 처럼그릴수있다. 이때삽입손실을구하면 R IL(dB)= L 0 (db)= 20log ( g + R L R g +R+R L ) (3.15) 위식에서 R g = R L = 50Ω 이므로 R= 100(10 IL/20-1) (3.16)
Rg L R C R L (a) Rg R R L (b) 그림 3.7 공진주파수에서의유전체공진기의등가회로 Fig. 3.7 Equivalent circuit of dielectric resonator in oscillation frequency. 따라서삽입손실을알면 R 값을알수있다. 그림 3.8 은식 (3.13) 을이용 하여그린것으로 L 0, X 는식 (3.17) 과같이주어진다. 그림 3.8(b) 에서 보듯이 L 0 가 20 db 보다크면거의 X 가 3 db 로된다 [3],[6]. L 0 (db)= 20logS 210 (3.17a) x(db)= 3-10log(1+ 10-0.1L 0) (3.17b) Q 0 = f 0 f 2 - f 1 ( f 1 : 공진주파수에서 x(db) 낮은주파수 ) ( f 2 : 공진주파수에서 x(db) 높은주파수 ) (3.18)
S 21 21=1 X Q L 3 Magnitude(dB) L 0 X Q 0 S 210 x(db) 2 1 Frequency f0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 L0(dB) (a) (b) 그림 3.8 S 21 (db) 측정으로부터 Q 0 결정 (Q L : loaded Q, Q 0 : unloaded Q) Fig. 3.8 Q 0 decision from S 21(dB) measurement(q L : loaded Q, Q 0 : unloaded Q). 3.4 유전체공진발진기의종류 유전체공진발진기는기본적으로그림 3.9와같이세가지형태로분류할수있다 [4]. 반사형발진기는발진주파수를안정화시키기위하여유전체공진기를출력단에위치시킨것으로이때유전체공진기는대역저지필터 (Band Stop Filter) 로서작용하게된다. 그러나위상잡음이상대적으로높으며전기적, 기계적튜닝에대해 Hysteresis 현상이일어나기때문에, 튜닝범위가좁고, 기생발진이문제가된다. 병렬궤환발진기는 FET의 gate와 source 또는 gate와 drain 회로사이에유전체공진기를궤환요소로서직접이용한다. 이구조는해석이복잡하고마이크로스트립라인과의결합도를조절하기가어려우며, 튜닝범위가좁을뿐만아니라상대적으로출력전력이낮다는단점이있다. 직렬궤환발진기는 gate에부하가 50 Ω이연결된 MSL과결합되어공진주파수근처에서전력이 FET측으로반사되어 FET는불안정해져서발진이일어나게된다. 이구조는유전체공진기와 MSL간의결합관계를모델화하기쉽고, 기생발진을쉽게피할수있을뿐만아니라부하변화에대한발진주파수및출력전력변화가적다는장점을가진다. 본논문에서는이구조를이용하여발진기를설계하였다.
+Vd 유전체공진기 L C +Vs Z 0 (a) +Vd -Vg Z 0 (b) +Vs +Vd Z 0 Z 0 +Vs (c) 그림 3.9 유전체공진발진기 (a) 반사형발진기 ; (b) 병렬궤환발진기 ; (c) 직렬궤환발진기 Fig. 3.9 Dielectric resonator oscillators (a) Reflective oscillator ; (b) Parallel feedback oscillator ; (c) Series feedback oscillator.
3.5 유전체공진발진기의발진조건과안정도 1-단자망발진기의기본적인구성은그림 3.10과같이비선형임피던스 Z in 은음저항성분을포함하고있으며부하임피던스 Z L 과직렬로연결 되어있다. 비선형임피던스 Z in 과부하임피던스 Z L 은다음과같이나타 낸다. Z in (A,ω)= R in (A,ω)+ jx in (A,ω) (3.19) Z L (ω)= R L (ω)+jx L (ω) (3.20) 여기서 A는전류의크기를나타낸다. 그림 3.10에서식 (3.21) 을만족할때발진이일어난다. i(t) + X L (ω ) X in ( A, ω) v(t) R L (ω) R in ( A, ω) Z L ( ω) - Γ ( ω) Γ ( A, ω) L Z in in ( A, ω) 그림 3.10 1-단자망음저항발진기구성도 Fig. 3.10 One-port negative resistance oscillator block diagram.
Γ in (A 0,ω 0 )Γ L (ω 0 )= 1 (3.21) 위식에반사계수의정의를적용하면다음과같이표현된다. Z in (A 0,ω 0 )+ Z L (ω 0 )= 0 (3.22) 식 (3.19), (3.20) 를 (3.22) 에대입하면다음과같이실수부와허수부가나 뉘며발진조건이된다. R in (A 0,ω 0 )+ R L (ω 0 )= 0 X in (A 0,ω 0 )+ X L (ω 0 )= 0 (3.23a) (3.23b) 구체적으로임의의소자에서동작주파수가 작한다면이회로는불안정한음저항을취하게되고, R in (A,ω)<0 조건에서동 R in (A 0,ω) >R L (ω) (3.24) 일때발진이시작된다. 위의발진조건에서처럼불안정한상태에서전류가흐르게되어전류의크기가안정화상태에이르기까지발진이계속일어난다. 즉, 루프임피던스가 zero가될때발진이안정화된다. 발진주파수결정은임피던스 Z in (A,ω) 가전류의크기와주파수에대한함수이기때문에식 (3.23) 의조건에서만결정된다고볼수는없다. 따라서안정된발진이되기위해서는다음과같은조건이필요하다. R in (A 0, max)=- R 0 3 (3.25) 여기서 A 0, max 는발진에너지가최대일때흐르는전류의크기이고, -R 0 은 A=0일때 R in (A) 의값이다. 따라서 R in 이 A에따른선형함수라는가정하에 R L 의값을발진에너지를최대로하기위한조건으로부
터다음식을얻는다. R L = R 0 3 (3.26) 2-단자망발진기의기본적인구성은그림 3.11와같은입력정합회로 (generator tuning network) 와출력정합회로 (load matching network) 등으로나뉘며, 입력정합회로는발진주파수를결정하며, 출력정합회로는정합역할을제공한다. D Generator Tuning Network G S Load Matching Netwok Γg Γin Γout ΓL 그림 3.11 2-단자망발진기구성도 Fig. 3.11 Two-port oscillator block diagram. FET에서음저항을얻기위하여발진주파수에서 FET의안정도를확인한다. 안정도에는어떤입력임피던스와출력임피던스에대하여 Γ in <1 이고 Γ out <1 인경우가있는데이것을절대안정이라고하며발진하지않게된다. 어떤입력임피던스와출력임피던스에대하여 Γ in >1 이고 Γ out >1 인경우에는잠재적안정 (conditional stable or potentially stable) 이라고도한다. 따라서발진기의경우에는 FET가잠재적안정일때불안정영역에서설계하여야한다. 그러나, 안정도는주파수에따라변하므로설계주파수뿐만아니라다른주파수에서도불안정하여발진하는경우가있다. 그러므로, 발진기를설계할경우에설계주파수대역뿐만아니라다른주파수에서도안정도를고려하여야한다.
입력및출력의안정도를알기위해서는안정도원 (constant stability circle) 을그려보면된다. 안정도원은 Γ L 또는 Γ S 가 Γ in = 1 또는 Γ out = 1인궤적으로정의되기때문이다. 따라서안정도원은 Γ L 과 Γ S 의안정한영역과불안정한영역의경계로정의된다. 그림 3.11에서입력과출력의반사계수는다음식과같다. Γ in = S 11 + S 12S 21 Γ L 1-S 22 Γ L (3.27) Γ out = S 22 + S 12S 21 Γ S 1- S 11 Γ S (3.28) 식 (3.27) 에서 Γ in = 1 이면 S 11+ S 12S 21 Γ L 1-S 22 Γ L = 1 S 11 (1-S 22 Γ L + S 12 S 21 Γ L = 1-S 22 Γ L S 11 - ΔΓ L = 1- S 22 Γ L (3.29) 이며 ( Δ= S 11 S 22 - S 12 S 21 ), 양변을제곱하여식을원의방정식으로표시하 면식 (3.30) 과같이나타낼수있으며이것은복소 적이 Γ L = 1 이된다. Γ 평면에서원의궤 Γ L- S 22- ΔS * 11 S 22 2 - Δ 2 = S 12S 21 S 22 2 - Δ 2 (3.30) 중심 (C L )= (S 22- ΔS * 11) * S 22 2 - Δ 2 반지름 (R L )= S 12S 21 S 22 2 - Δ 2 이원을출력안정원이라한다. 같은방법으로입력안정도원을구하면
다음과같다. 중심 (C S )= (S 11- ΔS * 22) * S 11 2 - Δ 2 반지름 (R S )= S 12S 21 S 11 2 - Δ 2 원이 S-parameter의 함수이므로, 소자의 S-parameter가 주어지면 Γ in = 1과 Γ out = 1이되는입력및출력안정도원을그릴수있게된 다. 그림 3.12에의해서 Γ out >1 이되도록 Γ 1 을선택함으로써쉽게구현 할수있다. Γ out = 1 Γ out = 1 Γ out > 1 CL rl Γ out > 1 CL rl Γ out < 1 S22 > 1 S 22 < 1 그림 3.12 Fig. 3.12 Γ 1 의평면에서출력안정도원 Output stability circle in the Γ 1 plane. 2- 단자망발진기설계에있어다음과같은세가지발진조건을만족해 야한다. 발진조건 1 : K<1 발진조건 2 : Γ in Γ g = 1 (3.31) 발진조건 3 : Γ out Γ L = 1
여기서 K 는능동소자의 stability factor 이다. K= 1- S 11 2 - S 22 2 + Δ 2 2 S 12 S 21 Δ= S 11 S 22 - S 12 S 21 K가 1보다작다는것은회로가불안정한상태에있다는것을의미하며, 초기의입력이시간이지남에따라계속발진된다. 이것은단지발진이유지될수있는기본적인조건이다. 이러한특성을가지는부분은여러주파수에서나타날수있다. 발진이일어나기위한초기상태의조건은발진부의음저항이더욱큰값을가져야하고, K < 1의조건을만족하는경우, 만약 1보다크다면공통단자를바꾸어주거나 series feedback을첨가하면된다. 발진조건 2와 3은발진주파수에서능동소자의입력과출력단자를공진시키기위해정합회로를첨가시켜야한다. 즉어느한단자에서발진이일어나면다른한단자에서도발진이일어나야한다. 일반적으로출력의대부분이어느한단자로전달되며한개의부하를연결해야한다. Γ g 와 Γ L 이 1보다작기때문에 Γ in >1 와 Γ out >1 이되어야한다. FET의동작주파수대에서계산된 stability factor K가 1보다클경우 feedback element의길이를적당히선택하여 K를 1보다작게만들어주어야한다. 새롭게생성된반사계수 S 11 와 S 22 가 1보다큰지를확인한다. 이때새롭게생성된반사계수의안정도원을그려안정상태가불안정영역에속하는지를확인한다. 구현하기쉬운궤환회로를선택하여 K를 1 보다작게만들어주고 S 11 와 S 22 가 1보다크기위해서는 2-port 산란계수를 3-port로특성화시켜야하는데이는제조회사에서주어지는 2-port 산란계수로부터계산된다. 그림 3.13에서반사계수 Γ 3 은다음과같다. Γ 3 = Z 3- Z 0 Z 3 +Z 0 (3.32)
또한다음과같은식 (3.33) 으로부터 3-port 산란계수를구한다. a2 a1 G D b2 b1 S a3 b3 Γ 3 Z0 Z0 그림 3.13 FET의 3-port 소자 Fig. 3.13 Three-port element of FET. b 1 = S 11 a 1 + S 12 a 2 + S 13 b 3 Γ 3 b 2 = S 21 a 1 + S 22 a 2 + S 23 b 3 Γ 3 b 3 = S 31 a 1 + S 32 a 2 + S 33 b 3 Γ 3 (3.33a) (3.33b) (3.33c) 결국새로생성된 2-port 산란계수는식 (3.34) 와같다. S T S = 11 + S 31S 13 Γ 3 1-S 33 Γ S 12 + S 13S 32 Γ 3 3 1-S 33 Γ 3 S 21 + S 31S 23 Γ 3 1-S 33 Γ S 22 + S 23S 32 Γ 3 3 1-S 33 Γ 3 (3.34) 초고주파대역에서사용되는발진기에첨가하는궤환은전류직렬궤환만이사용되며, 이는공통단에 stub를연결해주는구조이다. 3-port 궤환방법에는단락 stub를연결하는방법과개방 stub를궤환으로이용하는방법이있다. 본논문에서는개방 stub를사용하였다.
3.6 VCTDRO 유전체공진기발진기에 Varactor 다이오드를사용할경우, Varactor의접합용량을변화시켜공진회로의공진주파수를조절함으로써발진기의발진주파수를조절할수있다. Varactor 다이오드와유전체공진기를마이크로스트립라인을통하여결합시키기위한등가구조를그림 3.14에나타내었고, 결합회로의구조는공진주파수 f 0 에서특성임피던스 Z 0 와전기적길이 β c l= 90 인마이크로스트립라인의종단부하 Z L 에인가전압 V 에 t 의해제어되는커패시턴스 C v (V t ) 의 Varactor를위치시킨다. Le,, R e,, C e Z 0, θ 1 Z 0, θ 2 Z Z, λ / 4 0 1:n 0 g C ( V v t ) + - Z INP 그림 3.14 유전체공진기와 Varactor 다이오드의등가결합구조모델 Fig. 3.14 Equivalent coupling structure model of dielectric resonator and varactor diode. 이경우결합면에서의임피던스는 Z INP = Z L +jz 0 tanβ c l Z 0 Z 0 +jz L tanβ c l = Z 2 0 Z L (4.1) = jω Z 0 2 C v (V t )= jωl t (V t )
C v (V t )= C 0 (1+ V t φ )γ 이며, 여기서 C 0 = C v (0),φ 는내부전위상수, γ는 C-V 특성곡선기울기를나타내며, 일반적인실리콘다이오드에서 φ는 0.7, γ는 0.46이다. 또한공진주파수 f 0 에서튜닝용마이크로스트립선로는 λ/4 임피던스변환기가되고임피던스는인덕턴스 L t (V t ) 로해석된다. 권선비 n인이상적인변환기 (Transformer) 의등가결합모델을사용한해석에서인덕터 L t (V t ) 의권선결합인덕턴스 L t '(V t ) 는공진기의등가인덕턴스 L e 와결합하여인덕턴스 L r '(V t ) 가되고, 공진주파수는식 (4.2) 와같이전개된다 [7],[8]. ω(v t )= 1 L r '(V t )C e ω 0 (1+ L e L t '(V t ) = ω 0 (1+ n2 L e 2Z 0 C v (V t ) (4.2) = ω 0 + Δω(V t ) 여기서, 권선결합인덕턴스 L t '(V t )= L t (V t )/n 2 병렬결합인덕턴스 L r '(V t )= L e L t '(V t ) 로각각나타내어진다. 이식에서, 제어되는주파수대역폭은결합이증가할수록광대역으로확장됨을알수있다. 그러나고정주파수발진을위해서는 2중선로결합구조에서발진기측의 Q를유지해야하며, 그러기위해낮은결합제어가필요하다. 최종적으로 DRO와 Transistor를결합한 VCTDRO의구조및등가회로를그림 3.15에나타내었다.
DR Varactor Z 0 Z Z, λ / 4 0 1:n Le Re Ce 0 g C v ( V t ) + - Z0 Z θ1 θ 0, θ1 Z 0, θ2 2 그림 3.15 VCTDRO의구조및등가회로 Fig. 3.15 The structure and equivalent circuit of VCTDRO.
제 4 장 PLDRO 의설계및측정 4.1 PLDRO 의구조 본논문에서구현하고자하는 PLDRO(Phase Locked Dielectric Resonator Oscillator) 의구조는그림 4.1과같으며 VCDRO, BUFFER AMP, Oscillator 로구성된마이크로웨이브부분과 Loop Filter, SPD(Sampling Phase Detector), AMP, TCXO로구성된 loop 부분으로구성되어져있다. VCDRO BUFFER AMP COUPLER OUTPUT SPD AMP TCXO Loop Filter 그림 4.1 PLDRO의구성도 Fig. 4.1 Block diagram of PLDRO. PLDRO의기본적인동작원리는 PLL 회로와유사하다. 높은주파수안정도와우수한위상잡음특성을갖는 TCXO 신호는 AMP에서충분히증폭된후 SPD에입력되어내부의 step recovery diode에서주기를갖는 Harmonic 신호를발생시킨다. 이러한신호들은 SPD 내부에있는 schottky barrier diode로입력되어 COUPLER 거쳐들어오는 VCDRO 신호를 Sampling 하게된다. SPD는 Sampling 된신호와 VCDRO 신호를비교하여두신호간의위상차가같으면 DC 전압을출력하지만위상차가다르면위상차에대한비트전압을출력하게된다. 이비트전압은 Loop Filter를거쳐 VCDRO의주파수컨트롤단자로입력되어두신호간의위상차를보정
하게된다. 결국 VCDRO 신호는 TCXO 신호에항상 phase lock 되어높은 주파수안정도와우수한위상잡음특성을갖게된다. 본논문에서는 TCXO 의신호는 Signal Generator 를사용하였다. 4.2 설계및제작 4.2.1 유전체공진기의설계 본논문에서는 7 GHz에서공진하는유전체공진기를설계하기위하여원통형유전체공진기의구조와유전체공진기와마이크로스트립라인간의구조를그림 4.2과그림 4.3에나타내었다. d r D r L r 그림 4.2 원통형유전체공진기의구조 Fig. 4.2 Structure of cylinder type dielectric resonator. Microstrip Line D Dielectric Resonator 그림 4.3 유전체공진기와마이크로스트립라인의구조 Fig. 4.3 Structure between dielectric resonator and microstrip line.
표 4.1은유전체공진기를설계하기위한각 parameter값을나타내고있다. 그림 4.4는 Ansoft사의 Serenade를이용하여설계한유전체공진기의회로도이고그림 4.5는앞에서구한유전체의각 parameter값을적용하여시뮬레이션한출력특성이다. 그림 4.5에서볼수있듯이유전체공진기의출력특성은대역저지여파기 (Band-Stop Filter) 의특성이나타남을알수있다. 표 4.1 유전체공진기의 parameter값 Table 4.1 Parameter of dielectric resonator. Parameter 값 Dr ( 직경 ) 8.25 mm Lr ( 높이 ) 3.71 mm dr ( 내경 ) 2.11 mm ε r 30 Q 10000 이상 D ( 거리 ) 1.0 mm Microstrip ε 2.5 Microstrip 두께 0.5 mm 그림 4.4 7 GHz 유전체공진기의회로도 Fig. 4.4 Schemetic of 7 GHz dielectric resonator.
그림 4.5 7 GHz 유전체공진기의출력특성 Fig. 4.5 Output characteristic of 7 GHz dielectric resonator. 그림 4.6과그림 4.7은본논문에서사용한유전체공진기와마이크로스트립라인의거리에따른특성을나타내고있다. 그림 4.6에서유전체공진기와마이크로스트립라인의거리가멀어짐에따라결합계수가작아짐을알수있고그림 4.7에서유전체공진기와마이크로스트립라인의거리가멀어짐에따라부하 Q가커짐을알수있다. 4.2.2 제작 제작에사용된기판은 Metcrade (ε = 2.5, h = 0.5 mm) 와 FR-4 (h = 0.6 mm) 이고능동소자는 ATF-34143 FET(HP) 와 ATF-54143 FET(HP), 주파수동조용 Varator 다이오드는 MGV-100-23-E28X (Metelics), DR은 C8733-0325-146-083 (Transtech), SPD는 MSPD1002-E50(Metelics), 그리고 RF 용칩콘덴서와저항등을실장한후알루미늄케이스로차폐하여제작하였다.
그림 4.6 유전체공진기의거리에따른결합계수특성 Fig. 4.6 Coupling coefficient characteristic by distance of dielectric resonator. Fig. 4.7 그림 4.7 유전체공진기의거리에따른부하 Q 특성 Loaded Q characteristic by distance of dielectric resonator.
설계된발진기의레이아웃을그림 4.8에나타내었으며그림 4.9는 PLDRO를구성하는 Microwave Circuit 부분과 RF Circuit 부분을제작한실물사진이다. 그림 4.10은기계적인튜닝을하기위한 Tuning Screw의모습을보여주고있다. 그림 4.8 레이아웃 (a) M/W 회로부분 ; (b) RF 회로부분 Fig. 4.8 Layout (a) M/W circuit part ; (b) RF circuit part.
(a) (b) 그림 4.9 제작된 PLDRO (a) M/W 회로부분 ; (b) RF 회로부분 Fig. 4.9 Fabricated PLDRO (a) M/W circuit part ; (b) RF circuit part. 그림 4.10 Fig. 4.10 Tuning screw Tuning screw.
4.3 측정및결과 본논문에서제작한 PLDRO는알루미늄케이스를이용하여외부로부터 의영향을차폐시켰으며, 특성은 Spectrum Analyzer (HP 8564E) 와 Network Analyzer (HP N3383A) 를이용하여측정하였다. 그림 4.11은 PLDRO를측 정하기위한계측기구성도입니다. Network Analyzer / Spectrum Analyzer DC Power Supply PLDRO Signal Generator 그림 4.11 PLDRO를측정하기위한계측기구성도 Fig. 4.11 Equipment block diagram for measurement PLDRO. 그림 4.12는 PLDRO의출력주파수특성을측정한것을나타내고있다. 그림 4.12(a) 는 Spectrum Analyzer의 span을 1 MHz로주었을때의 PLDRO 의출력파형으로중심주파수 7.00 GHz에서 10.39 dbm의출력을얻었고그림 4.12(b) 는 Spectrum Analyzer의 Span을 10 MHz로주었을때의 PLDRO의출력파형으로중심주파수 6.99 GHz에서 10.93 dbm의출력을얻었다. 그림 4.13은 PLDRO의 Harmonics 특성을측정한것이다. 그림 4.13(a) 는 PLDRO의반송주파수 7 GHz에서 10.18 dbm의출력을보여주고있고그림 4.13(b) 는 2차 Harmonic 주파수 14 GHz에서 -41.09 db의출력을보여주고있다. 따라서 PLDRO의반송주파수와 2차 Harmonic 주파수의차이는 -51.27 dbc임을알수있다. 그림 4.14는 PLDRO의위상잡음특성을측정한그림이다. 그림 4.14(a) 는 Offset 주파수가 10 khz 일때의위상잡음으로 -98.61 dbc/hz를얻었고그림 4.14(b) 는 Offset 주파수가 100 khz 일때의위상잡음으로 -102.03 dbc/hz를얻었다.
(a) (b) 그림 4.12 PLDRO의출력주파수측정 (a) span 1 MHz ; (b) span 10 MHz Fig. 4.12 Output frequency measurement of PLDRO (a) span 1 MHz ; (b) span 10 MHz.
(a) (b) 그림 4.13 PLDRO의 Harmonics 특성측정 (a) PLDRO의출력주파 수 (7 GHz) ; (b) 2차 Harmonic(14 GHz) Fig. 4.13 Harmonics characteristic measurement of PLDRO (a) Output frequency of PLDRO(7 GHz) ; (b) 2nd harmonic(14 GHz).
(a) (b) 그림 4.14 위상잡음특성측정 (a) 10 khz offset ; (b) 100 khz offset Fig. 4.14 Phase noise characteristic measurement (a) 10 khz offset ; (b) 100 khz offset.
본논문에서설계및제작한 PLDRO와일부업체에서상용화된 PLDRO 의위상잡음과 Harmonics 특성을비교해보았다. 표 4.2에업체와본논문에서설계및제작한 PLDRO의위상잡음과 Harmonics를나타내었다. 비교결과위상잡음특성은업체의위상잡음특성보다비슷하거나낮은특성을보여주고있다. Harmonics 특성은업체의 Harmonics 특성보다월등히뛰어남을알수있다. 표 4.2 업체별 PLDRO 위상잡음비교 Table 4.2 Comparison of phase noise of various PLDRO 제조회사 Frequency(GHz) Phase Noise @ 100 khz(dbc/hz) Harmonics(dBc) A사 6.1-124 -25 B사 7~ 13-120 -20 C사 6.1~ 10-113 -20 D사 8~ 12-110 -20 E사 9~ 12-101 -25 Proposed 7-102 -51.27
제 5 장 결론 이동통신의발달은음성통화를기반으로하는 Cellular 및 PCS 이용자가유선전화가입자를앞지르고있으며, 이와같은시장을기반으로초고속이동인터넷을구현하기위한 CDMA-1X EVDO 서비스를위한기술개발에박차를가하고있다. 그동안 Cellular 및 PCS의음영지역개선을위한많은종류의중계기를개발하였다. 그러나기존의중계기는이미상용화가진행중인가변변조방식의 EVDO 서비스에적용할때, 데이터전송율을저하시키는문제점이있다. 이동통신에사용되었던여러가지형태의중계기가운데광중계기, 인빌딩중계기, M/W중계기가있는데 M/W대역을이용한중계장치는광중계장치, RF 중계장치보다구축이빠르고유지보수가간편하며광선로임대비나유지비용이월등히낮을뿐만아니라 RF 중계장치와같은발진의위험이없다는장점을가지고있다. 따라서 18 GHz를사용하여가변변조방식의 EVDO 신호를음영지역까지양질의전파특성과높은데이터전송율을유지하여전송할수있는 18 GHz 중계기의개발이필요하고또한 18 GHz 중계기의개발을위해선위상잡음및위상흔들림특성이개선된 Local Oscillator 개발이필요하다. 본논문에서는 18 GHz대역 Microwave 중계기의송수신부에사용되는높은주파수안정도와낮은위상잡음특성을갖는 Local Oscillator를구현하기위하여높은 Q값을갖는유전체공진발진기 (DRO) 를사용하였다. 유전체공진발진기를구현하기위하여먼저원통형유전체공진기 (Cylindrical DR) 를이용하여중심주파수 7 GHz의유전체공진발진기를설계 제작하였다. 이렇게설계된유전체공진발진기에튜닝을위하여 Varactor 다이오드를부착하여 VCTDRO를설계하였고 VCTDRO에높은주파수안정도를갖는 PLL을이용하여 Local Oscillator인 7 GHz PLDRO 를설계및제작하였고제작된 PLDRO는알루미늄케이스를이용하여외부로부터의영향을차폐시키고, Spectrum Analyzer와 Network Analyzer를이용하여특성을측정하였다. 또한업체에서상용화된 PLDRO와위상잡음및 Harmonics 특성에대해비교하였다. 본논문에서는 18 GHz Microwave 중계기의송수신부에사용되는높은
주파수안정도와낮은위상잡음특성을갖는 Local Oscillator를구현하기 위하여먼저중심주파수가 7 GHz인 DRO(Dielectric Resonator Oscillator) 를구현하고 Varactor 다이오드를사용하여 VCTDRO를설계하였고 PLL을 사용하여 PLDRO를설계및제작하여측정하였다. 측정결과에서살펴봤던것처럼주파수 7 GHz에서출력전력 10 dbm을 얻었고 Harmonics 특성은 반송주파수 7 GHz에서 10.18 dbm, 2차 Harmonic 주파수 14 GHz에서 -41.09 db의출력을보여주어 2차 Harmonic 특성 -51.27 dbc를얻었다. 또한위상잡음특성은 Offset 주파수가 10 khz, 100 khz 일때각각의위상잡음 -98.61 dbc/hz와 -102.03 dbc/hz를얻을 수있었다. 본논문에서설계및제작한 PLDRO를일부업체의 PLDRO와비교한 결과위상잡음특성은업체의위상잡음특성보다비슷하거나낮은특성을 보여주었고 Harmonics 특성은업체의 Harmonics 특성보다월등히뛰어남 을알수있다. 향후 PLDRO의위상잡음특성을좀더개선하여높은주파수안정도와 낮은위상잡음특성을갖는 Local Oscillator로서주파수합성기에적용할 수있을것이다.
참고문헌 [1] Kenneth V Buer and El-Badawy El-sharawy, "A Novel Technique for Tunning Dielectric Resonators", IEEE Trans. Microwave Theory and Tech, MTT-43:pp36-41, Jan 1995. [2] Eric Holzman, Solid State Microwave Power Oscillator Design, Artech House, 1992. [3] D. Kajfez and Pierre Guillon, DIELECTRIC RESONATORS, Artech House, 1986. [4] Robert Soarse, GaAs MEDFET circuit design, Artech House, 1998. [5] Sweet, MIC & MMIC Amplifier and Oscillator, Artech House, 1990. [6] Guillermo Gonzalez, Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design, Prentice Hall, 1997. [7] 황선화, " 유전체공진기를이용한마이크로파발진기설계에대 한연구 ", 석사학위논문, 조선대학교, 2000. [8] 권헌국, " 유전체공진기를이용한전압제어발진기의설계및 제작 ", 석사학위논문, 충남대학교, 1999.
감사의글 2005년새해를맞이하면서지난 2년의대학원생활을돌이켜보면긴시간은아니었지만앞으로의인생지표와처신에대해조금이나마깨달을수있는시간이었습니다. 본논문이있기까지너무나도부족한저를보살펴주시고항상관심어린격려와조언을아낌없이주셨던지도교수조형래교수님께머리숙여깊은감사를드립니다. 그리고논문의부족한점을보완해주시고세심한부분까지관심을가져주시며논문심사를맡아주신민경식교수님, 정지원교수님과항상따뜻한가르침을주신김동일교수님, 강인호교수님, 김기만교수님께도감사드립니다. 또한어려울때격려해주시고깊은사랑을주신 PSB 부산방송의원영수국장님께감사의마음을전합니다. 이동통신연구실이라는큰인연으로만나 2년의대학원생활을같은연구실에서동고동락하면서저의질문에대해언제나친절하게설명해주신태경이형, 그림자처럼항상붙어다니면서챙겨주신종호형, 외국에서고생하고있는수홍이, 학과조교업무로항상바빴던민지, 졸업후에도걱정해주시고저의갈길을조언해주신용진이형, 형도형, 성진이형, 만난지는얼마되지않았지만인생의선배로서좋은말씀을주셨던종옥이형에게감사드립니다. 마이크로파연구실의항상웃음을주시고저를아껴주신준영이형, 컴퓨터에대해모르는게없으신동한이형, 절친한친구도연이, 중국에서우리나라로유학와서중국어를가르쳐주던 Lui, 나를항상잘따르던재현이, 정현이, 대훈이, 신자, DSP 연구실의터줏대감외형이형, 안테나연구실의저를항상아껴주시던지원이형, 곰돌이철근이, 잠꾸러기종현이, 같이실험하느라고생한영환이, 예의바른후배동진이와진우, 위성통신연구실의대학원동기상진이, 인사잘하는인기에게고마운마음을전합니다. 마지막으로, 편찮으신몸으로묵묵히뒷바라지해주시고넘치는사랑으로항상저를걱정해주신아버지, 어머니, 같이대학원생활을하느라고생한동생과함께이기쁨을함께나누고싶습니다. 다시박사라는새로운대학원생활을이어가면서석사때와는다르게인성적으로는더욱성숙되고학문적으로는심도있고참신해질수있는발전된모습이될수있도록최선을다하여매진할것을마음속깊이되새기며지금까지저를이끌어주신많은분들께다시한번감사드립니다.