KR100449802B1 - 초고주파 회로 및 초고주파 시스템의 안정도 판정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MMIC 회로 및 초고주파수 시스템의 안정도 판정법에 관한 것이다. 이 방법은, 2단자망 초고주파 소자, 회로 및 시스템의 2단자망 스케터링 변수를 추출하고 초고주파 회로 및 시스템을 설계한다. 그리고 2단자망의 스케터링 변수를 이용하여 전압 이득을 계산한다. 2단자망의 전압 이득(Av)을 스케터링 변수로 나타낸다. 스케터링 변수에 의한 전압 이득으로부터 이득의 크기와 페이스(Phase)를 계산한다. 계산된 이득과 페이스로부터 이득 및 페이스의 여유도를 구한다. 어떤 특정한 이득 및 페이스의 여유도를 먼저 정의하였다면 계산된 값과 페이스의 여유도 및 이득의 여유도를 각각 비교하여 허용값보다 모두 커서 만족할 경우에 안정도를 만족하는 것으로 한다.

Description

초고주파 회로 및 초고주파 시스템의 안정도 판정방법{Stability criterion method of MMIC and high frequency systems}

본 발명은 초고주파 회로(예: MMIC), 그 소자 및 시스템의 안정도 판정방법에 관한 것으로서, 특히 초고주파 회로, 초고주파 소자 및 시스템에 적용하기 위해 아날로그 회로 및 시스템의 전압, 전류 또는 전력의 이득(Gain)과 페이스(Phase)를 계산하고 그 여유도를 판별하여 안정도를 판별하는 방법에 관한 것이다.

현재, 초고주파 소자, 회로 및 시스템의 개발에 따라 자유 공간 내의 여러가지 주파수를 사용한 에너지 전송 기술이 개발되게 되었다. 따라서 이로 인하여 HHP, PCS 등의 개인 이동 서비스가 상용화 되었으며, 이어 위성을 이용한 개인 휴대 통신 서비스가 이루어질 전망이다.

그에 따라, 초고주파 회로 및 시스템의 개발은 이러한 기술을 형성하는 단계에서 그 중요도를 더하고 있다. 또한 이러한 초고주파 회로 및 시스템의 안정된 설계 기술은 고가의 투자 비용을 고려한다면 더욱 중요하게 된다.

지금까지 상용화 되어 있는 초고주파 소자, 회로 및 시스템의 설계 방법에서 여러 가지 고주파 소자, 회로 및 시스템의 안정도를 판별하는 방법으로는, 입력 및 출력의 전송 전력이 어떻게 반사하는지를 검사하여 입력 전력에 대한 반사 전력 계수가 1보다 큰가 또는 작은가를 판단하는 방법이 있었다.

이에 따른 초고주파 회로 및 시스템의 안정도를 판별하는 종래의 방법은, 2단자 망을 스케터링 변수로 표현할 때 입력 전력에 대한 입력 반사 전력의 비로 나타내는 반사 전력 계수가 1보다 큰 값을 나타낼 경우를 불안정한 상태(발진하는 상태)로 진단하는 것이다. 입력(출력) 전력 보다 입력(출력) 반사 전력이 더 크게 나타날 경우 이를 판별하는 k를 다음과 같이 정의하고 이 값이 1 보다 클경우, 반사 계수가 1보다 작게 되어 무조건적인 안정상태(unconditional stable)가 된다.

따라서 설계에서 입력과 출력의 스케터링 변수를 추출한 다음, 아래의 수학식 1에 의거하여 k 값을 조사하면 안정도를 판별할 수 있다.

이와 같이 종래의 k값을 조사하여 안정도를 판별하는 방법은, 소신호 모델에서만 해석이 가능하여 대신호가 입력될 때 안정도를 정확하게 예측하지 못하는 단점이 있다. 초고주파 회로 또는 시스템이 여러 단으로 설계 될 때, 각각의 단이 모두 소신호 입/출력이 형성된 때 만이 기존의 안정도 판별법이 적용될 수 있다. 즉, 여러 단 중에 어떤 1 단이 소신호가 아닌 대신호 입력 또는 출력 환경에 놓이게 될 때, 기존의 종래 회로 해석 시뮬레이터는 소신호 해석을 수행하게 되며 대신호가 입력된 단의 이득은 포화되지 않고 선형적으로 증가하게 계산되어 실제 상황을 벗어나는 소신호 스케터링 변수를 계산함으로써, 안정도 판별에서 오류를 범하게 된다.

또한, 종래의 안정도 판별법은 회로 또는 시스템이 안정한지 그렇지 못한지 만을 판단하며 안정도의 여유분을 고려하여 설계에 도입할 수 없다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 소신호 및 대신호 해석에서 모두 사용이 가능하며 초고주파 회로의 안정도 여분을 나타내는 이득과 페이스의 여유도를 판별하여 설계에 고려하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 안정도 판별 흐름도.

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 안정도 판별 방법을 순서적으로 나타낸 흐름도이다.

먼저, 2단자망 초고주파 소자, 회로 및 시스템의 2단자망 스케터링 변수를 추출(10)하고 초고주파 회로 및 시스템을 설계한다(20). 그리고 2단자망의 스케터링 변수를 이용하여 전압 이득을 계산한다(30). 2단자망의 전압 이득(Av)을 스케터링 변수로 나타내면 다음과 같다.

상기 수학식 (2)는 2단자망으로부터 전계된 식으로 스케터링 변수를 나타내며 부하로부터의 전력 반사계수(Γ_L)가 1보다 아주 적은 값이라면 수학식 (3)으로 요약될 수 있다. 스케터링 변수에 의한 전압 이득으로부터 이득의 크기와 페이스를 계산한다(40). 계산된 이득과 페이스로부터 이득 및 페이스의 여유도를 다음과 같이 정의하고 그 값을 구한다(50).

페이스 여유도 = 180°- tan^-1(동작 주파수 또는 한계 주파수에서의 이득값)

이득의 여유도 = 이득의 페이스가 -180°일 때의 전압 이득값

어떤 특정한 이득 및 페이스의 여유도를 먼저 정의하였다면 계산된 값과 페이스의 여유도 및 이득의 여유도를 각각 비교하여(60, 70) 허용값 보다 모두 커서 만족할 경우에 안정도를 만족하는 것으로 한다. 그러나 이를 만족하지 못할 경우, 초고주파 회로 및 시스템의 부궤환 또는 정궤환의 수정 또는 각각의 입출력단에서 발생하는 주요 주파수 폴을 이동(80)한 후, 상기 초고주파 회로 및 시스템을 수정및 재설계한다. 또 다시 2단자망의 전압 이득을 조사하고 위의 순서를 반복한다.

또한 본 발명에서 구한 전압 이득과 페이스는 그 회로 또는 시스템의 전력 이득의 좌승근을 나타내는 스케터링 변수 S₂₁과 거의 유사하며 그 값으로부터 회로 및 시스템의 안정도를 판별할 수 있다.

종래의 안정도를 판별하는 방식으로는 소신호 모델에서만 해석이 가능하여 대신호가 입력될 때 안정도를 정확하게 예측하지 못하고 대신호가 입력된 단의 이득은 포화되지 않고 선형적으로 증가하게 계산되어 실제 상황을 벗어나는 소신호 스케터링 변수를 계산하여 안정도 판별에서 오류를 범하게 된다. 또한 기존의 안정도 판별법은 회로 또는 시스템이 안정한지 그렇지 못한지 만을 판단하며 안정도의 여유분을 고려하여 설계에 도입할 수 없다는 단점을 나타내지만, 본 발명에서는 기존의 안정도와는 달리 회로 또는 시스템에 존재하는 궤환 회로 또는 주요 주파수 폴 값을 고려하여 미리 안정도를 확보하여 설계할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 2 단자망의 스케터링 변수를 이용하여 전압 이득을 계산하는 제 1 과정;

   스케터링 변수에 의한 전압 이득으로부터 이득의 크기와 페이스(phase)를 계산하는 제 2 과정; 및

   상기 계산된 이득과 페이스로부터 이득 및 페이스의 여유도를 계산하고 이들 여유도를 미리 정해진 임의의 여유도 허용값과 각각 비교하여 클 때 안정도를 만족하는 것으로 판단하고, 만족하지 못할 경우 안정도를 만족하지 못하다고 판단하는 제 3 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초고주파 회로 및 초고주파 시스템의 안정도 판정방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 페이스 여유도는, 180°- tan^-1(동작 주파수 또는 한계 주파수에서의 이득값)으로 계산하는 것을 특징으로 하는 초고주파 회로 및 초고주파 시스템의 안정도 판정방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 이득의 여유도는, 이득의 페이스가 -180°일 때의 전압 이득값인 것을 특징으로 하는 초고주파 회로 및 초고주파 시스템의 안정도 판정방법.