KR100425941B1 - 콜렉터 단자 전압조정회로를 이용한 전압제어발진기 - Google Patents

콜렉터 단자 전압조정회로를 이용한 전압제어발진기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이더디텍터용 국부발진기로서, 전원과; 상기 전원으로부터 인가되는 전압을 양분하는 제 1 노드와; 상기 제 1 노드를 통해 양분된 전압이 각각 베이스로 인가되는 제 1 및 제 2 트랜지스터와; 상기 제 1 노드로부터 상기 제 1 또는 제 2 트랜지스터 중 선택된 하나의 사이에 위치하는 제 2 노드와; 상기 제 2 노드에 연결되는 접지된 제 3 트랜지스터와; 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터 각각의 이미터를 연결하는 제 3 노드와; 상기 제 3 노드에서 분지되는 출력단자와; 상기 출력단자와 상기 제 3 노드 사이에 위치하며, 접지된 제 4 노드와; 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터의 컬렉터를 연결하는 제 5 노드와; 상기 제 5 노드로 전압을 인가하는 콜렉터제어전압단자를 포함하는 콜렉터 단자 전압조정 전압제어발진기를 제시하고 있는 바, 레이더디텍터 국부발진부에서의 발진주파수를 종래의 베이스전압제어방식 발진기의 전류고정회로에 비해 보다 간소한 회로로 구성할 수 있는 장점이 있다.

Description

콜렉터 단자 전압조정회로를 이용한 전압제어발진기{VCO using collector controlled voltage adjustment circuit}
본 발명은 국부발진기 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 레이더디텍터에 사용되는 국부발진기의 내부 설계를 간소화하고 성능을 향상시킨 레이더디텍터에 관한 것이다.
레이더 디텍터(Radar detector)란 속도를 측정하기 위해 스피드건(Speed gun)에서 쏜 레이저 또는 초고주파를 감지해 음성, 문자, 신호음 등으로 운전자에게 알려주는 시스템으로서, 일부 선진국에서는 극초단파(Microwave)나 레이저(Laser)를 이용한 여러 종류의 레이더 디텍터가 개발되어 차량의 안전운행을 위해 사용되고 있다.
종래에 레이더 검출기를 사용하여 속도측정용 레이더를 검출하는 방법은 크게 세 가지로 나눌 수가 있다. 첫 번째로 건다이오드(Gunn Diode)를 주파수 발생기와 믹서로 적용한 건다이오드 방식이 있고, 두 번째로 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator)를 주파수 발생기로 적용한 전압제어발진기 방식이 있고, 세 번째로 유전체발진기(Dielectric Resonate Oscillator)를 주파수 발생기로 적용한 유전체발진기 방식이 있다.
그러나, 현재 사용중인 대부분의 속도측정용 레이더 검출기는 건 다이오드 방식과 전압제어발진기 방식인데 첫 번째 방식인 건 다이오드 방식은 건 다이오드의 동작에 많은 전류가 소모되기 때문에 제품에서 열이 많이 발생하는 단점과 속도측정용 레이더를 검출하는데 있어 감도(Sensitivity)가 떨어진다는 특징이 있다.
그리고, 두 번째 방법인 전압제어발진방식을 사용하였을 경우에는 제작에는 어려움이 많지만 전류의 소모가 적고, 감도가 건 다이오드 방식에 비해서 우수하다는 특징을 가지고 있다.
마지막으로, 세 번째 방법인 유전체발진기를 사용하였을 경우에는 세 가지 방법 중에서 가장 우수한 방법이기는 하나 작업의 효율이 떨어지며 현재의 기술로는 제품 판매가격이 상승하여 시장에서 좋은 호응을 받지 못한다는 특징을 가지고 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 일반적인 레이더디텍터의의 구성과 동작에 대해 알아본다.
도 1은 레이더 디텍터의 사용원리를 설명하기 위한 설명도면으로서, 스피드건에서 발사되는 다양한 초고주파를 검출하는 장치로서, 스피드건에서 방출되는 X-대역주파수(10.525 GHz), K-대역주파수(24.150 GHz), Ka-대역주파수(34.7 GHz±1.3 GHz), 적외선(Laser), 레이더 디텍터를 검출하기 위한 VG-2 등과 같은 특정 대역의 주파수에 반응하여 운전자에게 스피드건의 존재를 알려주는 역할을 한다.
상기와 같은 레이더 디텍터는 최근 스피드건의 존재유무 뿐만 아니라 철도건널목, 안개지역, 속도감속 등 다양한 정보신호를 코드화하여 운전자에게 다양한 운행정보를 사전에 알려주고 있다.
상기와 같이 다양한 주파수에 반응하여 운전자에게 경보를 알려주는 레이더 디텍터는 일반적으로 도 2a의 회로 블록도에서 보듯이, 초고주파를 수신하기 위한 안테나(10)와; 주파수를 발생시키는 제1국부발진부(20)와; 상기 제1국부발진기에서 나온 신호의 노이즈제거를 위한 제1필터부(30)와; 상기 안테나로부터 수신된 초고주파를 주파수변환하기 위해 상기 제1국부발진부에서 발생되는 주파수와 혼합하기 위한 제1혼합부(40)와; 상기 제1혼합부에 의해 혼합된 주파수를 증폭하기 위한 증폭부(50)와; 상기 증폭부를 통과한 주파수 신호에 혼합할 주파수를 발생시키는 제2국부발진부(60)와; 상기 제2국부발진부에서 발생한 주파수와 상기 증폭부를 통과한 주파수 신호를 혼합하기 위한 제2혼합부(70)와; 상기 제2혼합부를 통과한 주파수 신호의 특정 대역신호만을 얻기 위한 제2필터부(80)와; 상기 필터부를 통해 특정 대역으로 필터링된 주파수 신호를 A/D변환하기 위한 복조부(90)와; 상기 복조된 신호를 입력받아 처리하고 각 구성요소의 적절한 제어를 수행하기 위한 주제어부(100)와; 레이더 디텍터의 기능조작을 위한 기능조작부(110)와; 특정신호의 검출시 사용자에게 인식시키기 위한 표시부(120)로 구성되는 것을 기본으로 하고 있다.
도 2b는 상기 도 2a의 기본 레이더디텍터 구성에 광대역 다이오드인 빔리드다이오드(15)를 사용한 구성을 도시하고 있으며, 상기 빔리드다이오드(15)는 안테나(10)와 제1국부발진부(20)에서 공급된 두 신호를 혼합기에서 혼합시키는 기능을 한다.
또한 상기 구성에 레이저의 검출을 위한 레이저검출수단이 더욱 부가되기도 한다.
상기 안테나(10)는 혼(Horn)안테나로서 스피드건에서 방출되는 X-대역주파수(10.525 GHz), K-대역주파수(24.150 GHz), Ka-대역주파수(34.7 GHz±1.3 GHz), 적외선(Laser), 레이더 디텍터를 검출하기 위한 VG-2 등과 같은 특정 신호를 수신할 수 있는 부분이다.
상기 안테나(10)에 수신된 주파수 신호는 상기 제1혼합부(40)로 입력되는데, 상기 제1혼합부(40)에서는 상기 제1국부발진부(20)에서 발생시킨 주파수가변신호와 혼합하게 된다.
상기 제1혼합부(40)에서 혼합된 신호는 증폭부(50)를 거쳐 증폭되어 제2혼합부(70)로 입력된다.
상기 제2혼합부(70)에서는 제2국부발진부(60)에서 발생시킨 다양한 대역의 주파수로 변조시키고, 제2필터부(80)를 거쳐 잡음성분을 제거하게 된다.
상기 제2필터부(80)를 거쳐 잡음성분이 제거된 신호는 복조부(90)로 신호를 전송하고 복조부(90)에서는 주제어부(100)로의 신호입력을 위해 A/D변환을 수행한다.
상기 주제어부(100)에서는 기능조작부(110)에 의한 기능전환 및 조작을 가능하게 하고 또한 표시부(120)의 음향/램프 등을 통한 사용자알림기능을 수행하며 또한 상기 제1, 제2국부발진부(20)(60)를 제어하는 기능을 포함하고 있다.
상기와 같이 설명될 수 있는 종래의 레이더디텍터에 있어서, 상기 제1국부발진부(20)로 주로 사용되는 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator)는 일반적으로 두 가지 방법을 사용하고 있다.
첫번째로 발진기에 가변용량 다이오드(Varactor Diode)를 이용하는 방법이다.
가변용량 다이오드는 전압이 변할 때 내부적으로 가지는 커패시터용량(Capacitance:C)값이 변하는 소자로서, 이 특성을 이용하여 발진부의 LC공진에 C값을 변화시키고 따라서 전체 발진기의 공진 주파수를 변화시켜 최종 발진기의 주파수를 변화시키는 방법이다.
두 번째로 발진기의 트랜지스터에 인가되는 동작전압 값을 조정함으로써 발진주파수를 변화시킬 수 있다.
트랜지스터에 인가되는 동작전압이 변할 때 트랜지스터 내부의 커패시터용량값이 변하게 되고 따라서 주파수가 변하게 된다.
상기 첫번째 방법은 주파수 출력파워가 일정한 대신 가변용량 다이오드(Varactor Diode)라는 소자가 추가되어야 하고 주파수 변화범위가 상대적으로 좁다.
상기 두 번째 방법은 주파수 출력파워는 변하는 대신 소자의 추가가 필요없고 주파수 변화범위가 넓다.
도 3에 도시한 기존 레이더디텍터에서 사용되는 베이스전압제어방식 발진기 의 전류고정회로도와 아래 표1의 출력테스트 결과수치표를 참조하여 설명하면, 종래의 베이스전압제어방식은 병렬연결된 두 트랜지스터의 콜렉터단자에 다수의 트랜지스터로 구성된 전류고정회로를 연결하고 상기 병렬연결된 두 트랜지스터의 베이스단자 전압을 변화시켜 이미터 단자와 연결된 발진기의 주파수를 변화시키는 방법을 사용하는데, 표1에서 보듯이 Vtune값, 즉 베이스단자의 전압값이 2-8V로 변할 때 트랜지스터 동작전압인 Vbe와 전체전류값이 안정적으로 공급되므로 발진이 일어나며 Vce값이 변하므로 전체 주파수가 변함을 보여준다. 전류고정회로가 없이 베이스단자의 전압값을 변화하게 되면 Vbe값이 변하여 트랜지스터가 동작하지 않거나 전체전류값이 변하여 과잉전류가 흐르므로 트랜지스터가 파손될 수 있다. 종래기술인 상기 베이스전압제어방식 발진기는 표에서처럼 Vbe나 I값이 일정하여 콜렉터의 전류고정회로가 잘 동작함을 보여준다. 그러나 기존의 콜렉터 전류고정회로는 트랜지스터를 최소 3개 이상 요구함으로 소자가 많이 들고 회로가 복잡한 단점이 있다.
표 1. 베이스전압제어방식
상기와 같은 문제점의 해결하기 위해, 본 발명은 레이더디텍터에 사용되는 전압제어발진기의 구조를 간소화하고 또한 넓은 주파수대의 신호 발진이 용이하도록 설계한 전압제어발진기를 제시하는 데에 그 목적이 있다.
또한 적은 수의 트랜지스터로 상기와 같이 안정적인 전압제어발진기를 제공하여 제조원가를 절감할 수 있도록 설계된 레이더디텍터를 제시하는데 있다.
도 1은 레이더디텍터의 사용을 설명하기 위한 예시도면
도 2a, 2b는 각각 종래의 레이더디텍터의 구성을 예시한 블록도면
도 3은 기존 레이더디텍터에서 사용되는 베이스전압제어방식 발진기의 전류고정회로도
도 4는 본 발명에 따른 레이더디텍터에 사용되는 콜렉터단자 전압조정 전압제어발진기에 채택된 전류고정회로를 도시한 회로도면
도 5a 및 5b는 각각 본 발명에 따른 콜렉터단자 전압조정회로를 이용한 전압제어발진기의 콜렉터단자에 2, 8볼트(V)의 전압을 인가했을 때의 발진주파수 변화 테스트 결과그래프
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 전원 2 : 제1노드
3a,3b : 제1,제2트랜지스터 4 : 제2노드
5 : 제3트랜지스터 6 : 제3노드
7 : 출력단자 8 : 제4노드
9 : 제5노드 10 : 콜렉터제어전압단자
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 전체 전류값과 베이스단자의 동작전압값을 고정시켜 주기 위해, 베이스단자에 전류고정회로를 이용하고 콜렉터단자의 전압을 변화시켜 발진주파수를 조정할 수 있는 전압제어발진기를 제안한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 콜렉터단자 전압조정 전압제어발진기에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 레이더디텍터에 사용되는 콜렉터단자 전압조정회로를 이용한 전압제어발진기에 채택된 전류고정회로를 도시한 회로도면으로서, 특정 신호의 검출을 위한 레이더디텍터의 국부발진기회로로서, 전원(1)과; 상기 전원으로부터 인가되는 전압을 양분하는 제 1 노드(2)와; 상기 제 1 노드를 통해 양분된 전압이 각각 베이스로 인가되는 제 1 및 제 2 트랜지스터(3a)(3b)와; 상기 제 1 노드로부터 상기 제 1 또는 제 2 트랜지스터 중 선택된 하나의 사이에 위치하는 제 2 노드(4)와; 상기 제 2 노드에 연결되는 접지된 제 3 트랜지스터(5)와; 상기 제 1및 제 2 트랜지스터 각각의 이미터를 연결하는 제 3 노드(6)와; 상기 제 3 노드에서 분지되는 출력단자(7)와; 상기 출력단자와 상기 제 3 노드 사이에 위치하며, 접지된 제 4 노드(8)와; 상기 제 1 및 제 2 트랜지스터의 컬렉터를 연결하는 제 5 노드(9)와; 상기 제 5 노드로 전압을 인가하는 콜렉터제어전압단자(10)를 포함하는 전압제어발진기 회로를 제안한다.
상기 도 3의 종래 베이스단자 전압조정 전류고정회로에 비해 구성이 간단함을 알 수 있다.
상기 도 4의 본 발명에 따른 콜렉터단자 전압조정회로를 이용한 전압제어발진기에 채택된 회로는 NEC사의 NPN형 실리콘 트랜지스터인 2SC5508(3a)(3b)과, 전류고정회로로서 한국전자의 NPN형 실리콘 트랜지스터인 KSN2222 트랜지스터(5)를 사용하여 테스트한 결과로서, 사용프로그램은 HP(Hewlett Packard)사의 ADS(Advanced Design System)이라는 시뮬레이션 프로그램이다.
상기 2SC5508트랜지스터는 본 발명에 따른 전압제어발진기를 구성하기 위해 최소 5GHz이상의 동작주파수 특성을 가진 소자이면 모두 사용가능하다.
상기 도 4에 도시된 콜렉터단자 전압조정 발진회로는 아래 표 2의 컬렉터단자 전압조정에 대한 전류와 전압의 시뮬레이션 테스트 결과치에서 보듯이, 콜렉터단자에 인가한 전압(Vtune)이 2~8 볼트 사이로 변화될 때 전류와 베이스전압(Vbe)은 0.863 ~ 0.872볼트 사이에서 대체로 고정되고 에미터-콜렉터간 전압(Vce)이 0.226 ~ 6.045볼트까지 변하는 것을 알 수 있다.
표 2. 콜렉터 전압제어방식
도 5a 및 5b는 각각 본 발명에 따른 콜렉터단자 전압조정회로를 이용한 전압제어발진기의 콜렉터단자에 2~8볼트(V)의 전압을 인가했을 때의 발진주파수 변화 테스트 결과그래프이다.
도 5a에서 도시된 포인터는 본 발명에 따른 콜렉터단자 전압조정회로를 이용한 전압제어발진기에서 콜렉터단자에 인가된 전압이 2볼트(V)일때 주파수가 5.465GHz이고 출력파워가 -34.09dBm임을 나타내고 있다. 또한 도 5b는 콜렉터단자에 인가된 전압이 8볼트(V)일 때 주파수가 5.928GHz이고 출력파워가 -19.48dBm임을 나타내고 있다.
즉, 본 발명에 콜렉터단자 전압조정회로를 이용한 전압제어발진기에서 콜렉터단자에 2~8볼트(V) 사이의 전압을 인가했을 때 5.465GHz에서 5.928GHz까지 약 460MHz정도의 발진주파수 범위를 가지는 것을 알 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 콜렉터 단자 전압조정 전압제어발진기를 이용함으로써 레이더디텍터에 있어서 국부발진부에서의 발진주파수를 종래의 베이스전압제어방식 발진기의 전류고정회로에 비해 보다 간소한 회로로 구성할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 특정 신호의 검출을 위한 레이더디텍터의 국부발진기회로로서,
    전원과;
    상기 전원으로부터 인가되는 전압을 양분하는 제 1 노드와;
    상기 제 1 노드를 통해 양분된 전압이 각각 베이스로 인가되는 제 1 및 제 2 트랜지스터와;
    상기 제 1 노드와 연결된 제 1트랜지스터 또는 상기 제1노드와 연결된 제 2 트랜지스터 사이에 위치하는 제 2 노드와;
    상기 제 2 노드에 연결되는 접지된 제 3 트랜지스터와;
    상기 제 1 및 제 2 트랜지스터 각각의 이미터를 연결하는 제 3 노드와;
    상기 제 3 노드에서 분지되는 출력단자와;
    상기 출력단자와 상기 제 3 노드 사이에 위치하며, 접지된 제 4 노드와;
    상기 제 1 및 제 2 트랜지스터의 컬렉터를 연결하는 제 5 노드와;
    상기 제 5 노드로 전압을 인가하는 콜렉터제어전압단자
    를 포함하는 전압제어발진기
  2. 청구항 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 트랜지스터는 동작주파수 범위가 5GHz 이상인 것을 특징으로 하는 전압제어발진기
  3. 청구항 제 1항에 있어서,
    상기 제 3 트랜지스터는 전류고정회로로서 NPN형의 트랜지스터인 전압제어발진기
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