KR100354892B1

KR100354892B1 - 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기

Info

Publication number: KR100354892B1
Application number: KR1019990043094A
Authority: KR
Inventors: 김동철; 이현택
Original assignee: 주식회사 백금정보통신
Priority date: 1999-10-06
Filing date: 1999-10-06
Publication date: 2002-09-30
Also published as: KR20010036188A

Abstract

본 발명은 유전체 공진 발진기에 관한 것으로서 특히, 저가의 유전체를 이용하고, 최소한의 소자를 사용하여 구성한 것으로서, HEMT, MESFET 또는 HBT 등의 궤환 증폭기를 기판의 쓰루홀(Through Hole)을 이용하여 완전 밀착시키고, 상기 궤환 증폭기에 셀프 바이어스 회로를 사용하며, 모든 소자 및 기구물을 일체형으로 구성하고, Ka-band 주파수를 발진할 수 있도록 마이크로스트립라인을 구성한 케이에이 밴드(Ka-band) 대역 유전체 공진 발진기(Dielectric Resonator Oscillator)에 관한 것으로서, 단부에 임피던스정합부(51a)가 형성된 제1마이크로스트립라인(51)과, 상기 제1마이크로스트립라인(51)과 나란히 형성되며 공진 신호를 출력하는 출력부(55)와 커플링 되는 제2마이크로스트립라인(52)과, 상기 제1마이크로스트립라인(51)과 제2마이크로스트립라인(52) 사이에 위치하여 공진신호를 발진하는 유전체 공진자(53)와, 상기 공진신호를 증폭하는 궤환 발진기(54)와, 상기 유전체 공진자(53)의 공진을 일으키기 위한 병렬 궤환 회로로 이루어지는 발진부(50)와; 상기 발진부(50)에 전원을 공급하는 바이어스부(60)와; RF 초크를 구성하는 마이크로스트립(71)으로 이루어진 조절부(70)와; 상기 구성요소들이 설치되며 몸체(81)와 상판(82)으로 구성되는 금속 캐비티(80)와; 상기 유전체 공진자(53)의 상부에 위치하도록 상기 캐비티(80)의 상판(82)에 설치되는 튜닝 스크류(90)로 구성되어, 온도 변화에 대해 안정한 온도특성을 제공하고, 비용을 절감할 수 있고, 소형화가 가능하며, 제작이 용이하며 Ka-Band 대역의 주파수 (24.5 ∼ 26.5GHz)를 발진시킬 수있는 효과가 있는 것이다.

Description

케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기 {Dielectric resonator oscillator for Ka-band}

본 발명은 유전체 공진 발진기에 관한 것으로서 특히, 저가의 유전체를 이용하고, 최소한의 소자를 사용하여 구성한 것으로서, HEMT, MESFET 또는 HBT 등의 궤환 증폭기를 기판의 쓰루홀(Through Hole)을 이용하여 완전 밀착시키고, 상기 궤환 증폭기에 셀프 바이어스 회로를 사용하며, 모든 소자 및 기구물을 일체형으로 구성하고, Ka-band 주파수를 발진할 수 있도록 마이크로스트립라인을 구성하여, 온도 변화에 대해 안정한 온도특성을 제공하고, 비용을 절감할 수 있고, 소형화가 가능하며, 제작이 용이한 케이에이 밴드 대역(Ka-band : 24.5 ~ 26.5 GHz) 유전체 공진 발진기에 관한 것이다.

최근 무선 통신 및 레이더 등의 사용과 발전이 급격한 증가추세에 있고, 특히 밀리미터 웨이브를 이용한 소형, 고품질의 발진기는 매우 중요한 필수적인 요소이다.

이러한 발진기의 일례로는 유전체 공진기를 이용한 유전체 공진 발진기(Dielectric Resonator Oscillator : DRO)가 있다.

유전체 공진 발진기는 능동소자로 갈륨비소 MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)를 소스 접지로 사용하고, 드레인-소스 간에 유전체 공진기로 정궤환을 걸어 발진기를 구성한다.

공진기는 유전체 원기둥형의 막대로, 궤환량과 위상은 스트립 라인과의 간격과 위치에 따라 조정되고, 발진 주파수는 회로 전체를 금속 캐비티(cavity)에 넣어 튜닝 스크류 등으로 캐비티의 용적을 미세하게 조정함으로써 조정한다.

또한, 밀리미터 웨이브는 파장이 1 ~ 10 mm이고, 주파수가 대략 30 ~ 300 GHz의 웨이브로서, 마이크로파의 경우의 100배 정도의 초다중 통신이 가능하며, 페이딩도 없으므로 양질의 통신을 할 수 있는 장점이 있다.

이러한 밀리미터 웨이브의 응용분야중의 하나로는 엘엠디에스(LMDS : Local Multipoint Distribution Service)를 들 수 있다. 이는 25 ~ 31 GHz의 매우 높은 주파수와 광대역을 사용하여 무선 멀티미디어 서비스를 제공하는 통신 기술로서, 케이블 방송을 무선으로 대체할 수 있고, 고속 인터넷 서비스, 화상전화 등에 매우 응용분야가 넓은 기술이다.

도 1은 종래의 유전체 공진 발진기를 나타내는 회로도로서, 유전체 공진기를 이용한 초고주파 발진회로는 제1마이크로 스트립 라인(13)과, 이 제1마이크로 스트립 라인(13)에 인접 배치되는 유전체 공진자(12)와, 상기 제1마이크로 스트립 라인(13)에 대응하여 상기 유전체 공진자(12)를 사이에 두고 나란히 배치되는 제2마이크로 스트립 라인(11)을 포함하는 유전체 공진부(10)와, 그리고 바이어스 회로(21), 출력 매칭회로(22), 및 피드백소자(24)를 갖는 궤환 증폭트렌지스터(23)를 포함하는 궤환 증폭부(20)로 구성된다.

상기 유전체 공진부(10)의 유전체 공진자(12)는 등가적으로 고유의 RLC 병렬공진주파수를 가지며 이를 상기 제1마이크로스트립라인(13)과 인덕턴스 유도결합을 통하여 궤환 증폭부(20)의 증폭 트랜지스터(23)의 게이트 측에 전달하는 것으로, 상기 증폭 트랜지스터의 드레인 측에서 발진 출력(OSC out)을 얻고 있다.

이때, 상기 유전체 공진부(10)의 제2마이크로스트립라인(11)은 바랙터 다이오드(15)를 가지고, 또한 상기 바랙터 다이오드(15)는 외부의 발진제어전압(Vc)에 의해 자기의 용량값이 변화되게 되므로 상기 발진제어전압(Vc)의 가감을 통하여 유전체 공진부(10)의 공진주파수를 변경시킬 수 있게 된다.

도 2에서 도시하는 바와 같이, 상기 유전체 공진부 및 궤환 증폭부 등이 놓이는 기판(30)은 캐비티(1) 내에 모두 설치되며, 상기 캐비티(1) 상판에는 유전체 공진자(12)의 상부에 튜닝 스크류(2)가 구비되어, 상기 튜닝 스크류(2)를 조정하여 상기 유전체 공진자(12)와의 간격의 변화에 따라 발진 주파수를 미세하게 조정하도록 되어있다.

그러나 상기와 같은 종래의 유전체 공진 발진기를 이용하여 Ka-band 대역의 주파수를 발진할 경우에는 별도의 체배기를 사용하여야 하고, 실제로 Ka-band 주파수가 발진하여도 출력 레벨이 낮아 별도의 증폭기를 추가해야 하며, 따라서, 전체적인 치수가 크고 제작이 어렵고, 튜닝 범위가 작을 뿐 아니라, 많은 부품을 사용함으로써 가격이 증가하는 단점이 있었다.

본 발명은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 온도 변화에 대해 안정한 온도특성을 제공하고, 비용을 절감할 수 있고, 소형화가 가능하며, 제작이 용이한 케이에이 밴드 대역(Ka-band : 24.5 ~ 26.5 GHz)의 엘엠디에스(LMDS : Local Multipoint Distribution Service)용 유전체 발진기로 사용할 수 있는 유전체 공진 발진기(Dielectric Resonator Oscillator : DRO)를 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은 저가의 유전체를 사용하고, 최소한의 부품을 사용하며, HEMT, MESFET 또는 HBT 등의 궤환 증폭기를 기판의 쓰루홀(Through Hole)을 이용하여 완전 밀착시키고, 상기 궤환 증폭기에 셀프 바이어스 회로를 사용하며, 모든 소자 및 기구물을 일체형으로 구성하고, Ka-band 주파수를 발진할 수 있도록 마이크로스트립라인을 구성함으로써 달성된다.

도 1은 종래의 유전체 공진 발진기를 나타내는 회로도,

도 2는 종래의 유전체 공진 발진기의 캐비티를 나타내는 측단면도,

도 3은 본 발명의 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기를 나타내는

회로도,

도 4는 본 발명의 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기의 패턴 및 부품

배열상태를 나타내는 개략도,

도 5는 본 발명의 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기의 금속 캐비티를

나타내는 분해 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

50 : 발진부 51 : 제1마이크로스트립라인

52 : 제2마이크로스트립라인 53 : 유전체 공진자

54 : 궤환 증폭기 55 : 출력부

60 : 바이어스부 70 : 조절부

80 : 금속 캐비티 90 : 튜닝 스크류

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기를 나타내는 회로도이고, 도 4는 본 발명의 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기의 패턴 및 부품 배열상태를 나타내는 개략도이며, 도 5는 본 발명의 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기의 금속 캐비티를 나타내는 분해 사시도로서, 본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명의 구성은 크게, 단부에 임피던스정합부(51a)가 형성된 제1마이크로스트립라인(51)과, 상기 제1마이크로스트립라인(51)과 나란히 형성되며 공진 신호를 출력하는 출력부(55)와 커플링 되는 제2마이크로스트립라인(52)과, 상기 제1마이크로스트립라인(51)과 제2마이크로스트립라인(52) 사이에 위치하여 공진신호를 발진하는 유전체 공진자(53)와, 상기 공진신호를 증폭하는 궤환 발진기(54)와, 상기 유전체 공진자(53)의 공진을 일으키기 위한 병렬 궤환 회로로 이루어지는 발진부(50)와; 상기 발진부(50)에 전원을 공급하는 바이어스부(60)와; RF 초크를 구성하는 마이크로스트립(71)으로 이루어진 조절부(70)와; 상기 구성요소들이 설치되며 몸체(81)와 상판(82)으로 구성되는 금속 캐비티(80)와; 상기 유전체 공진자(53)의 상부에 위치하도록 상기 캐비티(80)의 상판(82)에 설치되는 튜닝 스크류(90)로 구성된다.

상기 발진부(50)는 기판의 쓰루홀(Through Hole: T)을 이용하여 금속 캐비티(80)의 몸체(81)에 융착하여 밀착시킴으로써, 상기 발진부(50)의 궤환 증폭기(54)로서 HEMT(High Electron Mobility Transistor), MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor) 및 HBT(Heterojunction Bipolar Transistor) 중 어느 것을 이용하여도 LMDS용 Ka-band 주파수가 발진할 수 있도록 되어있다.

상기 발진부(50)의 융착방법은 금속 캐비티(80)의 몸체(81)를 300 ℃ 정도의 고온으로 가열하여 바닥 면에 납을 골고루 녹인 후 기판을 붙이는 것을 특징으로 한다.

상기 바이어스부(60)와 발진부(50)의 소자들은 표면 부착형(Surface Mount)으로 구성되어, 대량생산을 할 경우 생산가를 낮출 수 있도록 한다.

상기 바이어스부(60)와 발진부(50)를 구성하는 기판은 유전상수가 1.5 ~ 4인 DUROID와 같은 손실이 적은 마이크로웨이브용 기판을 사용하며, 상기 금속 캐비티(80)는 크기가 Ka-Band의 주파수가 발진할 수 있도록 설계되었으며, 금형화 하여 생산성을 높이고 비용을 낮추기 위해 알루미늄 재질을 사용하였고 납땜이 가능하도록 니켈 도금 처리 되어있다.

상기 제1마이크로스트립라인(51)의 임피던스정합부(51a)는 서로 연결되지 않는 작은 단편의 다수개의 마이크로스트립으로 형성됨을 특징으로 하며, 상기 제2마이크로스트립라인(52)과 출력부(55) 사이에는, 상기 제2마이크로스트립라인(52)에 접하는 제1라인(a)과, 상기 출력부(55)에 접하며 상기 제1라인(a)과 접촉되지 않는 제2라인(b)으로 이루어지는 커플링스트립(52b)이 구성되어, 출력부(55)가 유전체 공진자(53)의 공진 상태에 영향을 주지 않도록 하고, 상기한 바와 같이, 조절부(70)의 RF 초크도 마이크로스트립라인(71)으로 형성되어, 다른 부품을 사용하지 않고, 최대한 비용을 낮출 수 있도록 되어있다.

또한, 상기 바이어스부(60)는 궤환 증폭기(54)의 드레인(D)에 정류된 전압을 인가하는 셀프 바이어스 회로를 이용하여 초고주파 발진기가 일반적으로 보유하고 있는 불안정한 온도 특성을 안정화 할 수 있도록 한다.

이하, 상기 도 3 내지 도 5를 참고하여 본 발명의 작용 및 효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선 본 발명의 바이어스부(60)는 상기한 바와 같이, 초고주파 발진기가 일반적으로 보유하고 있는 온도에 대한 불안정한 특성을 안정화하기 위해서, 궤환 증폭기(54)의 드레인(D)에 정류된 전압을 인가하는 셀프 바이어스 회로를 사용하였으며, 본 발명에는 능동회로의 바이어스를 인가하여도 안정된 온도특성을 얻을 수가 있으며, 본 발명에는 5 volt의 직류전압을 사용하여 구동할 수 있도록 하였다.

본 발명의 발진기의 주파수 조절은 상기 조절부(70) 뿐 아니라, 상기 유전체 공진자(53)와 금속 캐비티(80)와의 간격을 조절하는 튜닝 스크류(90)를 사용하여 가능하며, 조절 가능 범위는 약 2 GHz 정도 된다.

상기와 같은 구성으로 본 발명은 체배기를 사용하지 않고도 Ka-Band 대역의 주파수 (24.5 ~ 26.5 GHz)를 발진시킬 수 있고, 별도의 증폭기를 사용하지 않고도 14 dBm (@4Volt, 26 GHz)정도의 출력레벨을 얻을 수 있으며, 셀프 바이어스 회로를 도입하여 안정된 온도특성(3ppm/℃)을 얻을 수 있다.

도 4에서 도시하는 바와 같이, 본 발명은 5개의 부품으로 Ka-Band 대역의 발진 주파수를 얻을 수 있도록 고안되었으며, 나머지 임피던스 정합을 위한 구성요소는 스트립라인의 폭, 길이, 구조 등으로 처리하여 최대한의 비용절감을 이룰 수 있는 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 온도 변화에 대해 안정한 온도특성을 제공하고, 비용을 절감할 수 있고, 소형화가 가능하며, 제작이 용이하며 Ka-Band 대역의 주파수(24.5 ∼ 26.5GHz)를 발진시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

서로 연결되지 않는 작은 단편의 다수개의 마이크로스트립으로 이루어지는 임피던스정합부가 단부에 형성된 제1마이크로스트립라인과, 상기 제1마이크로스트립라인과 나란히 형성되며 공진신호를 출력하는 출력부와 서로 접촉하지 않고 평행하게 각각 일측에만 연결되는 커플링스트립에 의하여 커플링 되는 제2마이크로스트립라인과, 상기 제1마이크로스트립라인과 제2마이크로스트립라인 사이에 위치하여 공진신호를 발진하는 유전체 공진자와, 게이트(G)가 상기 제1마이크로스트립라인에 연결되고 드레인(D)이 상기 제2마이크로스트립라인에 연결되어 상기 공진신호를 증폭하는 궤환발진기와, 상기 유전체 공진자의 공진을 일으키기 위한 병렬 궤환 회로로 이루어지는 발진부와;

상기 발진부에 전원을 공급하는 바이어스부와;

RF 초크를 구성하는 마이크로스트립으로 이루어진 조절부와;

상기 구성요소들이 설치되며 몸체와 상판으로 구성되는 금속 캐비티와;

상기 유전체 공진자의 상부에 위치하도록 상기 캐비티의 상판에 설치되는 튜닝 스크류로 구성되는 것을 특징으로 하는 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기.
제 1항에 있어서, 상기 발진부는 기판의 쓰루홀(Through Hole)을 이용하여 캐비티의 베이스에 융착하여 밀착시킴으로써,

상기 발진부의 궤환 증폭기를 HEMT, MESFET 및 HBT 중 어느 것을 사용하여도 LMDS용 Ka-band 주파수가 발진할 수 있도록 함을 특징으로 하는 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기.
제 2항에 있어서, 상기 발진부의 융착방법은 캐비티의 베이스를 300℃정도의 고온으로 가열하여 바닥 면에 납을 골고루 녹인 후 기판을 붙이는 것을 특징으로 하는 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기.
제 1항에 있어서, 상기 바이어스부와 발진부의 소자들은 표면 부착형(Surface Mount)으로 구성함을 특징으로 하는 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기.
제 1항에 있어서, 상기 바이어스부와 발진부를 구성하는 기판은 유전상수가 1.5 ~ 4인 DUROID를 사용함을 특징으로 하는 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기.
제 1항에 있어서, 상기 캐비티는 금형에 의해 다이케스팅된 알루미늄에 니켈도금처리를 하여,

납땜을 가능하도록 하고, 생산성을 높이고, 비용을 절감하도록 함을 특징으로 하는 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 커플링스트립은 제2마이크로스트립라인과 출력부 사이에 위치하고, 상기 제2마이크로스트립라인에 연결되는 제1라인과, 상기 출력부에 연결되며 상기 제1라인과 접촉되지 않는 제2라인으로 구성되고, 상기 제1라인과 제2라인은 일정 거리를 두고 평행하게 위치하여,

출력부가 유전체 공진자의 공진 상태에 영향을 주지 않도록 함을 특징으로 하는 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기.
제 1항에 있어서, 상기 바이어스부는 셀프 바이어스 회로를 구성함을 특징으로 하는 케이에이 밴드 대역 유전체 공진 발진기.