KR100377786B1 - 새로운 위상 고정 전압 제어 발진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유전체 기판상에 구현한 전압제어 발진기(VCO : Voltage Controlled Oscillator)부분에서 새로운 동조형태 방법을 사용한 위상고정 루프(PLL : Phase Locked Loop)의 궤환성질을 이용한 위상고정 헤어-핀 공진 발진기(PLHRO : Phase Locked Hair-pin Resonator Oscillator)에 관한 것이다. 기존의 일반적인 위상고정 발진기(PLO : Phase Locked Oscillator)는 분주기나 Coupler, 완충 증폭기등의 주변회로가 추가로 사용되어 제조원가가 높아지며 소형화가 힘들었다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 하나의 공진기를 공유한 발진기를 두 개 사용하여 주파수가 낮은 하나의 발진기는 샘플링 위상 검출기 (SPD:Sampling Phase Detector)의 마이크로웨이브 입력으로 사용함으로써 부품의 크기를 현저히 줄일 수 있는 특징이 있으며 원하는 출력 주파수에서 출력을 얻기 위해 다른 발진기에 2차 고조파 정합회로를 삽입하여 기본 주파수를 억압하고 2차 고조파 성분을 증대시키도록 하였다. 즉, 기본 주파수를 억압시키기 위해 발진기의 출력단에 기본 주파수의

Description

새로운 위상 고정 전압 제어 발진기 {A New Phase Locked Voltage Controlled Oscillator (PLVCO)}
본 발명은 hair-pin 구조의 공진기와 바랙터 다이오드의 커플링 효과를 극대화 시켜 주파수 동조를 하도록 하였고 두 개의 발진기를 이용하여 위상 고정을 위한 부분의 크기를 최소화한 방법에 관한 것이다.
발진기는 RF 신호를 변·복조 할 때 효율과 안정성 확보에 가장 큰 영향을 미치는 회로이다. 시스템에서 가장 중요한 문제는 국부발진기의 주파수 안정도(frequency stability)이며, 본 발명은 높은 주파수 안정도 및 낮은 위상잡음의 PLHRO의 설계 및 제작에 관한 것이다.
전압제어발진기의 공진부는 안정성이 뛰어나며 온도 변화에 따른 영향이 적고 Q값이 높은 유전체 공진기를 많이 이용하였으나 최근 RF 부품들의 소형화, 경량화, 고집적화, 경제성 등의 요구에 따라 hair-pin과 같은 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)화 하기에 적합한 평면 구조의 공진기로 대체되고 있는 추세이다. 기존의 일반적인 위상고정 발진기는 분주기나 커플러(Coupler), 완충 증폭기등의 주변회로가 추가로 사용되어 제조원가가 높아지며 소형화가 힘들다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 발진기 두 개를 사용하게 된다. 이 중 12.21 GHz에서 발진하는 발진기는 샘플링 위상 검출기의 마이크로웨이브 입력으로 사용할 수 있으므로 부품의 크기를 현저히 줄일 수 있으며, 출력 주파수 24.42 GHz에서 발진하는 발진기는 12.21 GHz 발진기에 2차 고조파 정합회로를 삽입하여 기본 주파수를 억압하고 2차 고조파 성분을 증대시키도록 하였다. 즉, 기본 주파수를 억압시키기 위해 발진기의 출력단에 기본 주파수의/4에 해당하는 마이크로스트립 라인을 이용한 트랩(Trap)을 첨가하여 12.21 GHz신호를 전기적으로 단락 시켰다.
상기의 위상고정 발진기의 일반적인 구조에 대하여 첨부된 도면을 참조하여설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 위상고정 발진기 구성도중 하나로 저주파 신호를 구현하고 주파수를 위상 고정시킨 후 체배기를 이용하여 주파수를 체배하는 방법으로써 이 방법 역시 체배기의 설계가 어려울 뿐만 아니라 체배기의 매우 불안정한 동작으로 인하여 위상잡음과 스퓨리어스 특성이 나빠지는 등 불안정한 특성을 나타낸다.
도 2는 종래의 위상고정 발진기 구성도중 하나로 고주파인 경우 출력을 국부발진기로 혼합, 하향변환(down-convert)하여 주파수 분주기(Frequency Divider)를 통해서 위상을 비교하는 방법이다. 이러한 위상고정 루프 발진기는 안정도 및 위상잡음이 일반 발진기보다 개선되지만 고주파를 분주하기 위해서는 국부 발진기(Local Oscillator), 혼합기(Mixer), 주파수 분주기 회로를 추가하여야 하므로 회로가 복잡해질 뿐만 아니라 필터, 증폭기 등의 주변회로가 첨가되므로 제조단가가 높아질 뿐만 아니라, 소형화가 힘들다.
도 3은 종래의 PLL 구성도중 하나로 샘플링 위상 검출기와 체배기 그리고 분주기를 이용한 혼합형이다. 이것은 최근에 많이 사용하는 방법으로 샘플링 위상 검출기내에 있는 스텝 리커버리 다이오우드(SRD : Step Recovery Diode)에 의해 발생하는 기준 주파수의 고조파 성분을 이용하여 고주파 대역의 발진 주파수를 직접 비교하는 방법이다.
본 발명은 기존의 일반적인 위상고정 발진기에 비해 주변회로가 추가로 사용되지 않으므로 소형화를 극대화하는데 있다.
본 발명은 기존의 일반적인 위상고정 발진기에 비해 주변회로가 추가로 사용되지 않으므로 인해 제조단가를 낮출 수 있도록 하는데 있다.
본 발명은 헤어-핀(hair-pin)과 같은 평면 구조의 공진기를 사용하여 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)화 하기에 적합한 구조를 제공함에 있다.
본 발명은 바랙터 다이오드와 커플링 효과를 극대화 시켜 주파수 동조를 하도록 하는데 있다.
도 1은 종래의 샘플링 위상 검출기형 PLVCO
도 2는 종래의 주파수 혼합(Mixing)형 PLVCO
도 3은 종래의 주파수 체배기형 PLVCO
도 4는 제안한 새로운 형태의 PLVCO 구조도
도 5는 제안한 새로운 형태의 VCO(Voltage Controlled Oscilaltor) 상세도
도 6은 본 발명의 위상고정 부분의 마이크로웨이브 입력으로 사용하기 위한 발진기의 시뮬레이션 결과 그래프
도7은 본 발명의 기본 주파수 억압특성을 갖는 hair-pin resonator oscillator의 시뮬레이션 결과 그래프
도 8은 본 발명의 샘플링 위상 검출기의 마이크로웨이브 입력으로 사용하기 위한 발진기의 위상잡음에 대한 측정결과 그래프
도 9는 본 발명의 샘플링 위상 검출기의 마이크로웨이브 입력으로 사용하기 위한 발진기의 동조 스펙트럼에 대한 측정결과 그래프
도 10은 mm파 대역의 발진기에서 동조 스펙트럼 측정결과 그래프
도 11은 본 발명의 mm파 대역에서 위상이 고정되지 않았을 때 즉 freerunning 상태에서의 측정결과 그래프
도 12는 mm파 대역의 발진기에서의 최종 출력결과 측정 그래프
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 50종단(termination) 저항
2 : 공진기와 전송선로 사이의 커플링 갭(coupling gap)
3 : 특성 임피던스가 50인 전송선로
4 : 헤어-핀(Hair-pin) 공진기
5 : 공진기와 바랙터 다이오드(varactor diode) 사이의 커플링 갭
6 : MESFET(Active device)
7 : 기본주파수를 억업하기 위한/4 trap
8 : DC 차폐와 대역통과 필터(BPF : Band Pass Filter)
9 : 동조 스펙트럼을 위한 바랙터 다이오드
10 : 개방 스터브(Open Stub)
이하에서는 본 발명의 목적을 달성하기 위한 실시예의 구성 및 작용에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에서 구현한 위상고정 헤어-핀 공진 발진기의 구성도이며 위상 고정 루프는 기준 발진기(Reference Oscillator), 샘플링 위상 검출기(Sampling Phase Detector), 루프 필터(Loop Filter) 그리고 전압제어 Hair-pin 공진 발진기(VCHRO)로 구성되어 있다. 특징으로는 여러 가지 주변회로 즉, 방향성 결합기, 주파수 체배기, 완충 증폭기등의 주변회로가 필요하지 않으므로 인해 크기를 최소화 할 수 있으며 공진기도 헤어-핀(Hair-pin) 구조를 사용하므로 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)화 하기에 적합한 평면구조를 사용한 것이다.
도 5는 본 발명에서 구현한 전압제어 발진기 부분을 상세하게 설명하기 위한 그림으로 크게 공진부, 주파수 동조부, 그리고 출력 정합부의 부분 3단계로 이루어져 있다. 게이트 단은 기생발진과 히스테리시스를 억제하기 위하여 50(1)으로 종단시켰다. 또한 게이트 바이어스는 자기 바이어스(self bias) 형태를 취하였다. hair-pin공진기는 대역저지필터로서 원하는 주파수를 충분히 되반사 시켜야 한다. 대역저지필터의 반사손실과 반사선택도는 부하로 전달되는 에너지와 위상잡음 특성에 영향을 끼치며 이는 또한 공진기의 Q-factor와 직접적인 관계가 있다. 따라서 발진기의 선형설계 뿐 아니라 출력과 위상잡음 등을 예측하는 비선형설계시 실제 사용되는 헤어-핀 공진기의 정확한 구현이 반드시 필요하다. 일반적인 헤어-핀 공진기에 비해 작고 좋은 Q값 특성을 갖는 그림과 같은 공진기를 사용하였다(4). 구현한 공진기는 두 발진기의 공진기로써 공유가능 하도록 하였으며 공진기와 전송선로 사이의 커플링 갭(2)과 바랙터 다이오우드 사이의 커플링 갭(5)을 최적화하여 출력과 동조 대역폭을 최대로 갖도록 하였다. 게이트단의 전송선로는 신호의 최대 전달을 위해 50폭으로 최적화 하였다(3). 개방 스터브(open stub)를 사용하여 충분한 부성저항을 얻을 수 있도록 정합하였으며(6)(10)/4(7)에 해당하는 마이크로스트립 라인을 이용하여 트랩(Trap)을 첨가하여 기본 주파수(fundamental frequency)를 최대한 억압하도록 하였다.
DC 차폐와 대역통과 필터 역할(8)을 하는 마이크로 스트립 선로를 설계·제작에 이용하였으며 선로의 폭과 간격이 매우 작기 때문에 제작 오차를 최소화 하기 위해 주의를 요하였다. 전압제어 발진기의 주파수 동조방법에는 기계적 동조와 전기적인 동조법이 있는데 위상고정 루프(PLL : Phase Locked Loop) 시스템과 같은 응용에서는 주파수를 전기적으로 동조할 필요가 있다. 이때 낮은 위상잡음과 빠른 튜닝속도, 낮은 튜닝 전력을 갖는 바랙터 다이오드를 이용한 동조 방법(9)을 사용하였다.
상기의 구성으로 이루어진 본 발명에 대하여 RF 회로 디자인 툴(CAD Tool), HP Libra ver. 6.1에 의한 시뮬레이션 결과와 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer)인 8563E를 이용하여 측정하였다.
도 6은 본 발명의 위상고정 부분의 마이크로웨이브 입력으로 사용하기 위한 발진기의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도7은 본 발명의 기본 주파수 억압특성을 갖는 헤어-핀 공진 발진기의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 8은 본 발명의 샘플링 위상 검출기(SPD:Sampling Phase Detector)의 마이크로웨이브 입력으로 사용하기 위한 발진기의 위상잡음에 대한 측정결과 그래프이다.
도 9는 본 발명의 샘플링 위상 검출기(SPD:Sampling Phase Detector)의 마이크로웨이브 입력으로 사용하기 위한 발진기의 동조 스펙트럼에 대한 측정결과 그래프이다.
도 10은 mm파 대역의 발진기에서 동조 스펙트럼 측정결과 그래프이다.
도 11은 본 발명의 mm파 대역에서 위상이 고정되지 않았을 때 즉 free running 상태에서의 측정결과 그래프이다.
도 12는 mm파 대역의 발진기에서의 최종 출력결과 측정 그래프이다.
이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 전압제어 발진기 부분에서 새로운 동조형태 방법을 사용한 위상고정 루프(PLL : Phase Locked Loop)의 궤환 성질을 이용한 위상고정 헤어-핀 공진 발진기(PLHRO: Phase Locked Hair-pin Resonator Oscillator)로써 기존의 일반적인 위상고정 발진기는 분주기나 커플러, 완충 증폭기등의 주변회로가 추가로 사용되어 제조원가가 높아지며 소형화가 힘든단점을 개선할 수 있으며 또한 공진기도 헤어-핀 구조를 사용하므로 인해 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)화 하기에 적합한 평면구조이다. 바랙터 다이오드의 바이어스 전압에 따른 주파수를 동조할 수 있으므로 회로 구현에 유연성이 있다.

Claims (4)

  1. 주파수를 위상 고정하는 위상고정 전압제어발진기에 있어서, 안정성이 뛰어나며, 온도변화에 따른 영향이 적은 원하는 공진주파수를 공진시키기 위한 공진기로 이루어진 공진부와;
    상기 공진부에 위상잡음이 적고 최적의 신호가 동조되어 공진되도록 커플링되는 주파수 동조부와;
    상기 공진부로부터의 출력신호가 이득의 감쇠가 없이 출력신호를 정합하기 위한 출력정합부로 이루어진 것을 특징으로 하는 위상고정 전압제어 발진기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주파수 동조부는 낮은 동조 전력에 의한 바랙터 다이오드에 의해 동작되어 공진부에 커플링됨으로써 주파수 동조가 원활하게 이루어지게 함을 특징으로 하는 위상고정 전압제어 발진기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공진부의 공진기에는 적어도 하나 이상의 발진기가 커플링되며, 그 중 하나의 발진기는 샘플링 위상 검출기의 마이크로웨이브 입력용으로 사용하고, 다른 하나의 발진기는 기본 주파수를 억압하고 고조파 성분이 증대되어 원하는 출력 신호가 발생되도록 고조파 정합회로, 및 출력단에는 기본 주파수 신호를 전기적으로 단락시키기 위하여 기본 주파수의 λ/4에 해당하는 마이크로스트립 라인으로 이루어진 트랩(Trap)을 포함하여 구성되며, 상기 주파수 동조부는 바랙터 다이오드에 의해 동작되어 공진부에 커플링되는 위치에 배치됨으로써 주파수 동조가 원할하게 이루어지게 함을 특징으로 하는 위상고정 전압제어 발진기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 공진부에서의 공진기는 동축형 공진기(Coaxial resonator), 헤어-핀 공진기(Hair-pin resonator), 또는 유전체 공진기(DR : Dielectric Resonator) 중 어느 하나가 사용하며, 상기 주파수 동조부는 바랙터 다이오드에 의해 동작되어 공진부에 커플링되는 위치에 배치됨으로써 주파수 동조가 원활하게 이루어지게 함을 특징으로 하는 위상고정 전압제어 발진기.
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