KR20090077510A - Ｖｌｓｒｒ을 이용한 전압 제어 발진기 - Google Patents

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KR20090077510A
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명로훈
배기웅
서동욱
임상호
임호
오영철
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 전압 제어 발진기에 관한 것으로서, 본 발명의 제 1 특징에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기는 안쪽 링과 바깥쪽 링으로 이루어진 스플릿 링 공진기, 상기 스플릿 링 공진기와 소정 간격 이격되어 형성되는 마이크로스트립 전송선로, 상기 스플릿 링 공진기의 안쪽 링과 바깥쪽 링에 양단이 연결되는 버랙터 다이오드 및 상기 마이크로스트립 전송선로상에 연결되어 발진 신호를 생성하는 증폭부를 포함하고, 상기 버랙터 다이오드 양단에 걸리는 전압에 따라 상기 증폭부의 발진 주파수가 조절되도록 구성되어, 기판위에 금속을 에칭하여 매우 얇은 두께로 만들 수 있으며, 가격이 저렴하고 부피가 작은 스플릿 링 공진기를 발진기의 공진기로 사용하면서도 발진 주파수를 선택적으로 조절할 수 있는 효과가 있다.
스플릿 링 공진기, SRR, VLSRR, 버랙터 다이오드, VCO, 발진기

Description

ＶＬＳＲＲ을 이용한 전압 제어 발진기{Voltage Controlled Oscillator Using Varactor-Loaded Split-Ring Resonator}
본 발명은 전압 제어 발진기에 관한 것으로서, 특히 두께가 얇고 제작단가가 저렴하면서 작은 사이즈와 평판형태를 가지며 발진 주파수를 조절할 수 있는 전압 제어 발진기에 관한 것이다.
최근 빠르게 성장하고 있는 무선통신 시장은 전력 증폭기나 low-noise amplifier(LNA), 믹서, 오실레이터, 전압 제어 발진기(voltage-controlled oscillator, 이하 VCO)와 같은 다양한 마이크로파 소자들의 개발 필요성을 크게 증가시켰다. 이러한 소자들 중에서 거의 모든 RF 송수신단에 사용되는 RF 주파수 신호원으로서의 VCO의 중요성은 결코 간과할 수 없다.
먼저 VCO의 기초가 되는 오실레이터부터 살펴보면, 오실레이터는 DC 바이어스 전력을 마이크로파 대역의 신호원으로 바꾸어 출력하는 역할을 하는 소자로 정의할 수 있다. RF 통신 시스템에서 오실레이터는 주로 통신 채널 주파수를 선택하거나 베이스밴드 신호를 캐리어에 싣기 위해 필요한 주파수 신호원을 생성하는데 이용되며, 실제로 많은 통신 시스템에서 오실레이터를 상기와 같은 목적으로 사용 하고 있다. VCO는 전압으로 발진 주파수를 조절할 수 있는 소자인데, VCO 역시 많은 통신 시스템에서 필수적인 위상 고정 루프(phase-locked loop, 이하 PLL)을 구성하는 부품으로 널리 사용되고 있다.
PLL은 온도 등의 외부 요인의 변화에 관계없이 항상 일정한 주파수의 RF 주파수 신호를 출력하는 역할을 하는 소자이다. 간단히 PLL의 동작원리에 대해 설명을 하면 먼저 temperature- compensated crystal oscillator(TXCO)에서 나오는 안정된 저주파 RF 신호를, 현재 VCO에서 출력되고 있는 주파수를 divider를 통해서 나눈 것과 비교한다. 두 신호의 주파수 차이를 phase detector(P/D)를 통해서 찾아내고, 그 차이만큼 charge pump에서 loop filter로 전하를 밀어주거나 빼내오거나 하여, VCO로 공급되는 주파수 조절용 DC 전압을 적절히 바꾸게 된다. 따라서 VCO의 RF 출력단에서는 항상 원하는 주파수의 RF 신호를 낼 수 있게 되는 것이다.
도 1은 일반적인 발진기의 구조가 도시된 블럭도이다.
일반적인 발진기는 공진기(1), 증폭부(2), 매칭회로(3)의 세 부분으로 구성되어 있다. 각각의 역할을 살펴보면, 공진기(1)는 LC공진이나 기타 주파수 선택 원리를 가지고 발진하는 주파수를 결정하는 역할을 하고, 증폭부(2)는 부성저항을 제공하여 발진을 일으키는 역할을 하며, 마지막으로 매칭 회로(3)는 발진 조건을 만족시킴과 동시에 발진된 RF 신호가 출력으로 일정한 전력을 유지하면서 나올 수 있게 해준다.
종래에는 공진기의 한 종류로 스플릿 링 공진기(Split-Ring Resonator, 이하 SRR)가 있었으나, SRR은 공진 주파수가 고정되어 있어 주파수를 선택할 수 없는 문 제점이 있었고 따라서 발진기에 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, SRR을 이용하되 주파수를 선택할 수 있도록 하여 이를 공진기로 사용하여, 두께가 얇고 가격이 저렴한 평판형 전압 제어 발진기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 특징에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기는 안쪽 링과 바깥쪽 링으로 이루어진 스플릿 링 공진기, 상기 스플릿 링 공진기와 소정 간격 이격되어 형성되는 마이크로스트립 전송선로, 상기 스플릿 링 공진기의 안쪽 링과 바깥쪽 링에 양단이 연결되는 버랙터 다이오드 및 상기 마이크로스트립 전송선로상에 연결되어 발진 신호를 생성하는 증폭부를 포함하고, 상기 버랙터 다이오드 양단에 걸리는 전압에 따라 상기 증폭부의 발진 주파수가 조절된다.
여기서, 상기 버랙터 다이오드 양단에 걸리는 전압에 따라 상기 스플릿 링 공진기의 공진 주파수가 조절된다.
상기 버랙터 다이오드는 상기 스플릿 링 공진기의 안쪽 링에 연결된 일단이 접지되고, 바깥쪽 링에 연결된 일단은 전원 공급부에 연결된다.
상기 전원 공급부와 상기 버랙터 다이오드 사이에 형성되어, 상기 전원 공급부에 의해 공급되는 전압에 섞여있는 고주파 잡음을 제거하는 RF 초크를 더 포함한다.
상기 증폭부는 트랜지스터를 포함하여 구성된다.
또한, 상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 2 특징에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기는 마이크로스트립 전송선로, 상기 마이크로스트립 전송선로 양쪽에 대칭으로 형성되며, 각각 안쪽 링과 바깥쪽 링으로 이루어진 두 개의 스플릿 링 공진기, 상기 스플릿 링 공진기의 안쪽 링과 바깥쪽 링에 양단이 연결되는 버랙터 다이오드 및 상기 마이크로스트립 전송선로상에 연결되어 상기 스플릿 링 공진기의 공진 주파수에 따른 발진 주파수 신호를 생성하는 트랜지스터를 포함하고, 상기 버랙터 다이오드 양단에 걸리는 전압에 따라 상기 트랜지스터의 발진 주파수가 조절된다.
여기서, 상기 두 개의 스플릿 링 공진기는 직사각형 형태이다.
상기 버랙터 다이오드는 상기 스플릿 링 공진기의 안쪽 링에 연결된 일단이 접지되고, 바깥쪽 링에 연결된 일단은 전원 공급부에 연결된다.
상기 트랜지스터는 상기 버랙터 다이오드에 의해 조절되는 상기 스플릿 링 공진기의 공진 주파수와 동일한 발진 주파수를 출력한다.
상기 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기는 상기 트랜지스터에서 나오는 조절된 발진 주파수 신호가 반사손실없이 출력단으로 전달될 수 있도록 임피던스 매칭을 해주는 매칭 회로를 더 포함한다.
또한, 상기 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기는 상기 스플릿 링 공진기를 하나 이상 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기는 기판위에 금속을 에칭하여 매우 얇은 두께로 만들 수 있으며, 가격이 저렴하고 부피가 작은 스플릿 링 공진기를 발진기의 공진기로 사용하면서도 발진 주파수를 선택적으로 조절할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용 및 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 최근 연구가 활발히 진행되고 있는 스플릿 링 공진기(SRR)를 공진기로 사용하여 전압 제어 발진기(VCO)를 설계한다. SRR은 Q가 높고, 평판형이며 에칭공정으로 저렴하게 제작할 수 있고, 메타물질(metamaterial)이라는 특성을 가지고 있어 현재연구가 활발히 진행 중이다. SRR은 다른 공진기와 비교하여 가지고 있는 여러 특징을 정리하여 [표 1]에 나타내었다.
Q 평판형 단가 직접화
LC 공진기 높음 예 중간 쉬움
유전체 공진기 아주 높음 아니오 높음 어려움
스플릿 링 공진기 높음 예 낮음 쉬움
도 2는 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기의 구성의 일실시예가 도시된 도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기는 크게 공진기 부분, 발진기 부분, 매칭 회로 부분으로 나누어 진다.
공진기 부분은 스플릿 링 공진기(101), 마이크로스트립 전송선로(111), 버랙터 다이오드(102)로 이루어진다.
스플릿 링 공진기(101)는 안쪽 링과 바깥쪽 링으로 이루어진 공진기이며 발진기의 발진 주파수를 결정한다. 만약 SRR의 공진 주파수가 2.5GHz라면 발진기의 출력단(110)에서도 2.5GHz의 주파수 신호가 출력된다.
버랙터 다이오드(102)는 다이오드 양단에 걸린 전압의 크기에 의해 다이오드 양단의 커패시턴스가 변하게 된다. 이런 기능을 활용하여 버랙터 다이오드(102) 양단의 전압을 조절하면 SRR의 공진 주파수를 조절할 수 있게 되고, 결과적으로는 발진기의 발진 주파수도 조절할 수 있다.
버랙터 다이오드(102)의 한쪽 끝은 바깥쪽 링에 연결되고 나머지 한쪽 끝은 안쪽 링에 연결된다. 바깥쪽 링에 연결된 부분에는 전원 공급부로부터 전압을 공급받고, 안쪽 링에 연결된 부분은 접지에 연결된다.
전원 공급부와 연결되기 위해 버랙터 다이오드의 바깥쪽 링에 연결된 부분에는 DC 전압 공급을 받기위해 전선을 납땜해서 붙이기 위한 패드(105a)와 DC 공급선(106a)이 형성된다.
이 경우 DC 전압에 섞여 있는 고주파 잡음을 제거하기 위해 RF 초크(103a)가 전원 공급부와 버랙터 다이오드(102) 사이, 즉 패드(105a) 또는 DC 공급선(106a)과 버랙터 다이오드(102)사이에 형성될 수 있다.
RF 초크(103a)는 DC 전압은 그대로 통과시키면서 고주파의 잡음은 통과시키지 않는 역할을 한다. 본 발명에서는 버랙터 다이오드(102)가 필요로 하는 DC 전압을 공급하고, DC 전압에 섞여 있는 고주파 잡음을 제거한다. 즉, 패드(105a)와 DC 공급선(106a)을 통해 공급되는 DC 전압에 섞여 있는 잡음을 통과하지 못하게 하여 버랙터 다이오드(102)에 DC 전압만 공급하게 하는 역할을 한다.
안쪽 링과 버랙터 다이오드(102)가 연결된 부위에는 전기적으로 그라운드와 연결해주는 비아 홀(Via Hole)(104a)이 형성된다.
본 발명에서는 버랙터 다이오드가 형성된 스플릿 링 공진기가 적어도 하나 이상 복수개 더 형성될 수 있다.
스플릿 링 공진기(101)로부터 소정 간격 이격되어 마이크로스트립 전송선로(111)가 형성된다. 도 3을 참조하여 마이크로스트립 전송선로(111)의 기능을 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 주파수 신호의 이동 경로가 도시된 도이다.
도 3을 참조하면, SRR(101)은 주파수 선택적인 특성을 가진다. 도 3의 C 영역에 존재하는 모든 주파수 성분의 잡음들은 도 3에 도시된 바와 같이 두 가지 경로를 가지고 이동하게 된다. 먼저 원하지 않는 주파수의 신호는 SRR에서 반사되지 않고 그대로 통과되어 그라운드로 사라진다(B). 반면 원하는 주파수의 신호는 A 경로와 같이 SRR에서 반사되어 반사된 신호는 불안정한 트랜지스터(107)를 거쳐 증폭되게 된다. 따라서, 마이크로스트립 전송선로(111)의 역할은 SRR(101)의 주파수 선택적 특성을 트랜지스터(107)로 연결시켜 주는 역할을 한다.
마이크로스트립 전송선로(111)의 한쪽 끝은 접지에 연결되는데, 마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스와 똑같은 저항(R1)을 연결하여 그라운드로 빠지는 신호가 반사되는 것을 막아준다.
마이크로스트립 전송선로(111)의 나머지 한쪽 끝은 증폭부와 연결된다. 본 발명에서는 일실시예로 증폭부는 트랜지스터(107)로 구성된다.
트랜지스터(107)는 발진을 일으키는데, 작동을 위해 DC 전원을 공급받는다. 이것을 DC 바이어스라고 한다. 이 DC 바이어스를 패드(105b)와 DC 공급선(106b)을 통해 공급받는다.
또한, 트랜지스터(107)는 한쪽 다리인 소스단(source)이 그라운드에 연결된다. 소스단을 그라운드와 전기적으로 연결하기 위해 비아 홀(104b)을 형성한다.
이 경우 비아 홀(104b)을 통해 잡음이 들어오는 것을 방지하기 위해 RF 초크(103b)를 소스단과 그라운드 사이에 연결할 수 있다.
또 트랜지스터의 소스단에 개방-스터브(108)를 연결한다.
개방-스터브(108)는 트랜지스터를 불안정하게 만드는 역할을 한다. 기본적으로 트랜지스터만 있는 경우에는 트랜지스터는 안정하기 때문에 발진을 하지 않지만, 발진기로 동작하기 위해서는 불안정해질 필요가 있다. 즉, 트랜지스터를 인위적으로 불안정한 상태로 만들기 위해 개방-스터브(108)를 연결한다. 이 외에도 다른 여러 방법으로도 트랜지스터가 발진하도록 할 수 있지만, 개방-스터브(108)를 사용하는 것은 설계가 간단하고 크기가 작기 때문이다.
트랜지스터(107)의 게이트단은 상기 마이크로스트립 전송선로에 연결되고, 드레인단으로 발진 신호가 출력된다.
상기 트랜지스터(107)로부터 나오는 조절된 발진 주파수 신호가 반사손실 없이 제대로 출력단(110)으로 전달될 수 있도록 출력단(110)과 트랜지스터(107)사이에 매칭 회로(109)가 형성된다.
매칭 회로(109)는 출력 신호가 반사손실없이 제대로 출력단(110)으로 전달될 수 있도록 하는 회로이다. 원래 두개의 다른 임피던스가 있으면, 어떤 한 임피던스에서 다른 임피던스로 임피던스가 변환될 때 반사가 일어나서 손실이 발생하게 된다. 이런 반사가 발생되지 않도록 중간에 매칭 회로를 삽입하는 것이다. 본 발명에서는 트랜지스터(107)에서 나올 때의 임피던스와 출력단(110)으로 들어가는 임피던스가 다르기 때문에 이를 매칭 회로(109)를 사용하여 매칭시켜 준다.
이하 도 4 내지 도 11을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명에 사용되는 스플릿 링 공진기(101)의 원리 및 구성에 관하여 설명한다.
도 4는 스플릿 링 원통의 주기적 배열이 도시된 도이며, 도 5는 스플릿 링 원통에 유기되는 전류가 도시된 도이다.
도 4를 참조하면, 도 4에는 스플릿 링(split-ring) 형태의 금속 원통이 주기적으로 배열되어 있다. 두 개의 스플릿 링(Split-ring) 형태의 원통이 간격 d를 두고 떨어져 있으며, 각각의 원통은 전류가 원통 주위를 한 바퀴 돌지 못하도록 간격을 가지고 있다. 외부에서 원통에 평행하게 H-필드 이 가해졌을 때, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 스플릿 링(split-ring)에 전류가 유기된다. 이때 안쪽과 바깥쪽의 원통 사이의 커패시턴스가 더 크면, 더 큰 전류가 유기된다.
여기서, 도 4의 유효 투자율은 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008002509918-PAT00001
원통에 전류가 흐르면서 생기는 인덕턴스와 원통 사이의 캐패시턴스가 균형을 이루기 때문에, μeff는 공진하는 형태가 된다. 원통의 도전율이 매우 크다고 하면, σ≒0 이 되며, μeff는 주파수의 함수가 되고 이를 도 5에 나타내었다.
도 6은 스플릿 링 원통의 주파수에 따른 유효 투자율이 도시된 그래프이다.
도 6을 참조하면, 공진 주파수보다 낮은 부분에서는 μeff가 증가하고, 공진 주파수 보다 높은 부분에서는 μeff는 1보다 작다. 또한 공진 주파수 부근에서 μeff는 음수가 됨을 알 수 있다. 공진 주파수 ω0는 μeff가 나눠지는 부분의 주파수로서 다음 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008002509918-PAT00002
도 6에서, ωmp는 "magnetic plasma frequency"이다. 도 6에서 중요한 점은 ω0< ω <ωmp 에서 μeff가 음수가 된다는 것이다. ω0와 ωmp를 결정하는 것은 원통의 내부 구조의 크기이다. 다시 말하면 스플릿 링(split-ring) 형태의 원통의 크기로 유효 투자율이 음수가 되는 주파수 구간을 결정할 수 있다.
유효 투자율이 음이 되면 진행파의 방향이 반대 방향으로 바뀌게 되는데, 이 말은 유효 투자율이 음이 되는 구조를 이용하면 대역저지의 성질을 얻을 수 있다는 의미이다. 즉 음의 투자율을 갖는 매질에서는 진행하던 파가 반대로 진행하게 된다.
이런 스플릿 링(split-ring) 형태의 원통을 유전체 기판에 적용시키기 위해 평면화한 것을 스플릿 링 공진기(split-ring Resonator, 이하 SRR)라 부른다. 스플릿 링 공진기는 앞서 설명한 바와 같이 소형으로 대역저지 특성을 가지며 마이크로스트립 전송선로나 CPW(coplanar waveguide)와 같은 평면형 회로에 적용시키기 적당하다. 본 발명에서는 이 SRR을 마이크로스트립 전송선로에 적용시켜 발진기의 공진기로 사용한다.
도 7은 일반적인 스플릿 링 공진기의 형태 및 전하분포가 도시된 도이다.
도 7에서 보듯이 SRR은 중심이 같고 서로 반대방향으로 틈(slit)이 있는 두 개의 금속 링(ring)으로 되어있으며, 유전체 기판위에 에칭되어 있다.
이 split-ring에 외부에서 시간에 따라 변하는 자계(time varying magnetic field)가 가해지면, 두 링에는 전류가 유기된다. 이 전류 루프에 의해 인덕턴스가 발생한다. 또한 틈(slit)이 있는 두 링에 유기된 전류에 의해 전하분포는 도 7과 같이 되며 안쪽과 바깥쪽 링 사이에 커패시턴스가 발생하며, 반대 방향으로 나있는 틈 사이에 가장자리(edge) 커패시턴스가 발생한다. 따라서 총 커패시턴스는 이 두 커패시터가 직렬로 연결되어있다고 할 수 있다. 결과적으로 split-ring 공진기의 등가회로 모델은 도 8의 (b)에서 버랙터 다이오드를 제거한 것과 같이 나타낼 수 있다.
도 8은 버랙터 다이오드를 부착한 원형의 SRR 및 등가회로가 도시된 도이다.
본 발명에서는 SRR의 공진 주파수를 조절하기 위하여 버랙터 다이오드(102)를 사용한다.
본 발명에서는 도 8의 (a)와 같이 스플릿 링 공진기의 두 링 사이에 버랙터 다이오드를 삽입하여 커패시턴스를 조절함으로써 전체적인 공진주파수를 변경하고자 한다. 이것을 등가회로로 나타내면 도 8의 (b)와 같이 되는데, 여기서 SRR의 위쪽 절반과 아래쪽 절반에 의해 생기는 인덕턴스들을 L1, L2로 나타내었고, 왼쪽 절반과 오른쪽 절반에 의해 생기는 커패시턴스를 각각 C1, C2로 나타내었다. 버랙터 다이오드는 C1과 C2의 커패시턴스에 병렬로 연결되어 커패시턴스를 변경할 수 있게 되므로 [수학식 3]으로 주어지는 SRR의 공진주파수를 변경할 수 있게 된다.
Figure 112008002509918-PAT00003
여기서 LT는 L1과 L2의 병렬 인덕턴스이고, CT는 C1, C2와 버랙터 커패시턴스로 인한 등가 커패시턴스이다.
본 발명에서는 이러한 기본적인 스플릿 링 공진기를 마이크로스트립 전송선로로 부터 소정 간격 이격시켜 배치한다. 마이크로스트립 전송선로와의 커플링을 높이고, 버랙터를 부착할 공간을 마련하기 위해 도 8과 같이 직사각형 형태로 변형한다. 도 9에서 c_gap으로 표시된 간격에는 버랙터 다이오드를 부착하여 공진주파수를 변경할 수 있다.
도 9는 직사각형 형태의 스플릿 링 공진기의 모습이 도시된 도이며, 도 10은 마이크로스트립 전송선로 양측에 대칭으로 설치된 스플릿 링 공진기의 모습이 도시된 도이다.
도 9 및 도 10에 도시된 도면의 각 부위의 수치들을 조정하여 기본적인 SRR의 공진 주파수를 조정할 수 있다. 이렇게 만들어진 기본적인 공진 주파수를 버랙터 다이오드를 사용하여 보다 사용자의 요구에 맞도록 가변시킬 수 있다.
버랙터 다이오드(102)는 다이오드의 PN접합에 큰 역방향 전압을 인가하면 공핍층의 두께가 두꺼워지고, 작은 전압을 인가하면 얇아지는 것을 이용하여, PN접합 양단의 역전압의 크기를 이용해 커패시턴스를 조절할 수 있게 만든 소자이다.
도 10에서 스플릿 링 공진기를 마이크로스트립 전송선로 양옆으로 두 개 사용한 이유는 공진기를 두 개 사용함으로써 전송선로에 커플링되는 양을 늘려서 공진기의 Q값을 크게 하기 위해서이다.
마이크로스트립 전송선로의 특성 임피던스는 일례로 50Ω으로 하였다. K2의 오른쪽 끝은 R1(50Ω)으로 매칭하여 접지로 연결되는 포트이며, K2의 왼쪽 끝은 능동소자인 트랜지스터로 연결되는 포트이다. 그리고 g는 스플릿 링 공진기와 마이크로스트립 전송선로 사이의 간격이다. g가 크면 마이크로스트립 전송선로와 스플릿 링 공진기 사이의 커플링이 약해져서 공진기의 Q가 낮아지게 된다. 하지만 g를 너무 작게 가져가면 제작공정상 필수적인 과정인 에칭 과정에 지장을 주게 된다. g가 너무 작으면 에칭 가능한 해상도가 거기에 따라가지 못하기 때문에, 에칭이 가능하면서 충분한 Q값을 확보할 수 있는 거리로 g 값을 정하는 것이 바람직하다. K1은 R1(50Ω)으로 매칭할 포트와 연결되기 때문에, 거리가 그리 중요하지는 않으나 너무 짧을 경우에는 마이크로스트립의 특성상 스플릿 링 공진기의 프린지(fringe) 필드가 충분히 생성되지 못할 수가 있으므로, 적당한 거리를 주어야 한다. 그리고 K2는 트랜지스터로 연결되는 길이인데, 이 길이에 의해 트랜지스터에서 공진기 쪽으로 들여다보이는 임피던스가 변하기 때문에 적절한 조정이 필요하다.
도 11은 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기가 유전체상에 형성된 모습이 도시된 도이다.
도 11을 참조하면, 유전체(113)는 그 일실시예로 비유전율(유전상수)가 10.2, 두께가 0.635mm로 형성될 수 있다.
유전체의 후면에는 그라운드(접지) 판이 형성되며, 비아 홀을 통해 SRR 이나 트랜지스터의 접지 단자가 상기 그라운드 판에 연결된다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예들을 실험결과와 함께 설명한다.
본 발명에서는 일실시예로 주파수를 가변하기 위해 사용한 버랙터 다이오드는 KDV316E를 사용하였고, 2.5GHz에서 역전압을 1V에서 25V까지 변화시키면 커패시턴스가 7pF에서 1pF까지 변한다.
버랙터 다이오드의 역전압이 25V일 때 2.5GHz에서 공진하도록 VLSRR의 파라미터를 정하여 [표 2]에 나타내었고, 시뮬레이션과 측정 결과를 비교하여, 도 12에 에 나타냈다. 기판은 Roges사의 RT-Duroid 6010, 비유전율 10.2, 두께 25mil(밀리 인치) 짜리를 사용하였으며, VLSRR과 측정을 위한 포트까지의 마이크로스트립 라인길이는 14mm로 하였다.
파라미터 수치(mm) 파리미터 수치(mm)
a 4.0 c_gap 1.5
b 8.2 g 0.3
s 0.3 w 0.6
d 0.6
도 12는 VLSRR의 시뮬레이션 측정 결과가 도시된 그래프이다.
도 12는 VLSRR의 역전압을 25V, 13V, 8V로 인가했을 때의 S21의 시뮬레이션과 측정결과를 보여준다. 여기서, S21은 포트 1에서 포트 2로 전달되는 신호의 비를 나타낸다. 즉, K1 끝에서 입력된 신호가 얼마나 K2쪽으로 전달되는지 나타내는 수치이다. 그래프를 보면 비교적 잘 일치하는 것을 알 수 있는데 S21의 크기가 오차가 생기는 것은 버랙터 다이오드의 내부 기생저항 성분 때문인 것으로 추측된다.
한편 조절 전압의 범위를 최대한 낮은 전압 범위가 아니라, 최대한 높은 전압 범위에서 취한 이유는 낮은 조절 전압 범위에서는 기생 직렬저항 성분이 높아서, 공진기의 Q값이 크게 떨어지게 되어, VCO에 공진기로 사용했을 때 위상 잡음이 그만큼 나빠지기 때문이다. 정리하면 버랙터 조절 전압이 25V에서 8V로 변할 때 VLSRR의 공진주파수가 2.5GHz에서 2.3GHz로 약 200MHz 정도 변하고, 8V보다 낮은 전압에서는 기생 저항성분 때문에 VLSRR의 Q가 나빠져서 VCO의 공진기로 쓰기에 적당하지 않다는 것을 알 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기의 실제 제작된 모습의 일례가 도시된 도이다.
전압 제어 발진기의 전체적인 크기는 35*43*1.4mm로서 작고 평판형이다.
도 14는 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기의 주파수-조절 전압 특성이 도시된 그래프이며, 도 15는 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기의 위상 잡음 특성이 도시된 그래프이며, 도 16은 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기의 조절 전압과 발진 출력과의 관계가 도시된 그래프이다.
도 14에는 전압 제어 발진기의 조절 전압과 공진 주파수의 관계가 나타나있다,
도 14에서 VLSRR의 공진 주파수와 VCO의 발진 주파수가 조절 전압에 대해 비슷하게 변함을 알 수 있다. 이것은 VLSRR을 VCO의 공진부에 사용했기 때문이다. 하지만 그림에서 VLSRR의 공진 주파수가 변하는 범위보다 VCO의 발진 주파수가 변하는 범위가 약간 작고 전체적인 주파수가 낮은 것을 알 수 있다. 이것은 두 소자의 제작과정에서 생긴 차이 때문일 것으로 추측된다. 결과적으로 VCO의 주파수 튜닝 범위는 목표로 했던 200MHz를 달성하였다.
도 15는 위상 잡음을 나타내고 있는데, 잡음은 오실레이터에서 아주 중요한 요소이다. 작은 잡음이라도 출력 주파수 스펙트럼을 크게 변화시킨다. 완벽한 오실레이터는 발진 주파수와 그 하모닉 주파수에서만 출력을 가질 것이다. 하지만 잡음이 있으면 발진주파수 주위에 높은 파워의 출력을 가지게 되어, 채널간 간섭 현상이나 bit error rate(BER)을 증가시키게 된다. 위상 잡음의 다른 이름인 지터(jitter)는 클럭(cloak)과 데이터샘플(data sample) 시스템에서 중요한데, 스위칭되는 순간에 잡음으로 인해 발생하는 불확실함은 동조(synchronization) 문제를 일으킬 수 있기 때문이다.
도 15에서, 옵셋(offset) 주파수가 클수록 위상 잡음이 좋아짐을 알 수 있다. 이것은 잡음이 발진하는 주파수를 중심으로 양 옆으로 모듈레이션(modulation)되어 생기기 때문에 나타나는 결과이다. 또한 모든 offset 주파수에 대해 조절 전압이 낮아질수록 위상 잡음이 나빠지는 것을 볼 수 있는데 이것은 조절 전압이 낮아질수록 VLSRR의 Q가 낮아지기 때문이다. 낮은 조절전압에서의 위상잡음을 개선하기 위해서는 공진기의 Q를 조절 전압의 크기에 관계없이 일정하게 유지해야 한다. 이것은 SRR을 두 쌍 이상 사용함으로써 가능해진다. 위상 잡음을 개선하려면 공진기의 Q를 더 높여야 하는데 이것은 SRR을 여러 쌍 사용함으로써는 얻을 수 없는 결과이다.
도 16에는 8V에서 25V까지의 조절전압에 대해 발진 출력을 측정한 것을 나타내었다. 튜닝 가능한 주파수 범위에 대해 출력 파워가 약 1.6dBm 정도 편차 내에서 비교적 고른 출력을 낸다.
단가가 저렴하고 부피가 작은 SRR을 공진기로 사용하여, 유사한 특성을 갖는 VCO를 제안하였다. 제안된 VCO는 조절 전압을 8V에서 25V로 변화시킴으로써 2.3GHz에서 2.5GHz의 대역에서 튜닝이 가능하고, 1MHz 떨어진 주파수에서 -105dBc 이하의 위상 잡음을 갖고, 비교적 고른 발진 출력 특성을 갖는다. 또한 제안한 VCO는 평판형이기 때문에 집적소자로도 만들 수 있다. 위상잡음 특성에 대해서는 SRR을 여러 쌍 쓰면 공진기의 Q가 조절전압에 대해 변하지 않아서, 위상 잡음이 조절전압에 대해 변하지 않고 주파수 튜닝 범위도 더 넓힐 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의한 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기를 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용될 수 있다.
도 1은 일반적인 발진기의 구조가 도시된 블럭도,
도 2는 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기의 구성의 일실시예가 도시된 도,
도 3은 본 발명에 따른 주파수 신호의 이동 경로가 도시된 도,
도 4는 스플릿 링 원통의 주기적 배열이 도시된 도,
도 5는 스플릿 링 원통에 유기되는 전류가 도시된 도,
도 6은 스플릿 링 원통의 주파수에 따른 유효 투자율이 도시된 그래프,
도 7은 일반적인 스플릿 링 공진기의 형태 및 전하분포가 도시된 도,
도 8은 버랙터 다이오드를 부착한 원형의 SRR 및 등가회로가 도시된 도,
도 9는 직사각형 형태의 스플릿 링 공진기의 모습이 도시된 도,
도 10은 마이크로스트립 전송선로 양측에 대칭으로 설치된 스플릿 링 공진기의 모습이 도시된 도,
도 11은 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기가 유전체상에 형성된 모습이 도시된 도,
도 12는 본 발명에 따른 VLSRR의 시뮬레이션 측정 결과가 도시된 그래프,
도 13은 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기의 실제 제작된 모습의 일례가 도시된 도,
도 14는 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기의 주파수-조절 전압 특성이 도시된 그래프,
도 15는 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기의 위상 잡음 특성이 도시된 그래프,
도 16은 본 발명에 따른 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기의 조절 전압과 발진 출력과의 관계가 도시된 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
101: 스플릿 링 공진기 102: 버랙터 다이오드
103a, 103b: RF 초크 104a, 104b: 비아 홀
105a, 105b: 패드 106a, 106b: DC 공급선
107: 트랜지스터 108: 개방-스터브
109: 매칭 회로 110: 출력단
111: 마이크로스트립 전송선로

Claims (21)

  1. 안쪽 링과 바깥쪽 링으로 이루어진 스플릿 링 공진기;
    상기 스플릿 링 공진기와 소정 간격 이격되어 형성되는 마이크로스트립 전송선로;
    상기 스플릿 링 공진기의 안쪽 링과 바깥쪽 링에 양단이 연결되는 버랙터 다이오드;
    상기 마이크로스트립 전송선로상에 연결되어 발진 신호를 생성하는 증폭부를 포함하고, 상기 버랙터 다이오드 양단에 걸리는 전압에 따라 상기 증폭부의 발진 주파수가 조절되는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 청구항 1에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드 양단에 걸리는 전압에 따라 상기 스플릿 링 공진기의 공진 주파수가 조절되는 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드는 상기 스플릿 링 공진기의 안쪽 링에 연결된 일단이 접지되고, 바깥쪽 링에 연결된 일단은 전원 공급부에 연결되는 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전원 공급부와 상기 버랙터 다이오드 사이에 형성되어, 상기 전원 공급부에 의해 공급되는 전압에 섞여있는 고주파 잡음을 제거하는 RF 초크를 더 포함하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 증폭부는 트랜지스터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 트랜지스터의 소스단은 접지에 연결되는 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 소스단과 상기 접지 사이에 잡음을 제거하기 위한 RF 초크가 연결되는 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 트랜지스터의 소스단은 개방-스터브(open-stub)에 더 연결되는 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 트랜지스터의 게이트단은 상기 마이크로스트립 전송선로에 연결된 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기는 상기 트랜지스터에서 나오는 조절된 발진 주파수 신호가 반사손실없이 출력단으로 전달될 수 있도록 임피던스 매칭을 해주는 매칭 회로를 더 포함하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 매칭 회로는 상기 트랜지스터의 드레인단에 연결되는 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  12. 마이크로스트립 전송선로;
    상기 마이크로스트립 전송선로 양쪽에 대칭으로 형성되며, 각각 안쪽 링과 바깥쪽 링으로 이루어진 두 개의 스플릿 링 공진기;
    상기 스플릿 링 공진기의 안쪽 링과 바깥쪽 링에 양단이 연결되는 버랙터 다이오드;
    상기 마이크로스트립 전송선로상에 연결되어 상기 스플릿 링 공진기의 공진 주파수에 따른 발진 주파수 신호를 생성하는 트랜지스터를 포함하고,
    상기 버랙터 다이오드 양단에 걸리는 전압에 따라 상기 트랜지스터의 발진 주파수가 조절되는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 두 개의 스플릿 링 공진기는 직사각형 형태인 것을 특징으로 하는 VLSRR을 공진기로 이용한 전압 제어 발진기.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드 양단에 걸리는 전압에 따라 상기 스플릿 링 공진기의 공진 주파수가 조절되는 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 버랙터 다이오드는 상기 스플릿 링 공진기의 안쪽 링에 연결된 일단이 접지되고, 바깥쪽 링에 연결된 일단은 전원 공급부에 연결되는 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 전원 공급부와 상기 버랙터 다이오드 사이에 형성되어, 상기 전원 공급부에 의해 공급되는 전압에 섞여있는 고주파 잡음을 제거하는 RF 초크를 더 포함하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 트랜지스터는 상기 버랙터 다이오드에 의해 조절되는 상기 스플릿 링 공진기의 공진 주파수와 동일한 발진 주파수를 출력하는 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 트랜지스터의 소스단은 접지 및 개방-스터브(open-stub)에 연결되는 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  19. 청구항 12에 있어서,
    상기 트랜지스터의 게이트단은 상기 마이크로스트립 전송선로에 연결된 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  20. 청구항 12에 있어서,
    상기 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기는 상기 트랜지스터에서 나오는 조절된 발진 주파수 신호가 반사손실없이 출력단으로 전달될 수 있도록 임피던스 매칭을 해주는 매칭 회로를 더 포함하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
  21. 청구항 12에 있어서,
    상기 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기는 상기 스플릿 링 공진기를 하나 이상 더 포함하는 것을 특징으로 하는 VLSRR을 이용한 전압 제어 발진기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104836004A (zh) * 2015-05-29 2015-08-12 厦门大学 变容二极管加载的电控可调波导口负载阻抗匹配器
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CN109981059A (zh) * 2019-02-22 2019-07-05 中科院微电子研究所昆山分所 一种功率放大器杂波抑制电路

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