KR100552658B1

KR100552658B1 - 전압제어발진기의 위상잡음 감소용 공동공진기

Info

Publication number: KR100552658B1
Application number: KR1019990011267A
Authority: KR
Inventors: 송기무; 김정우; 송인상; 권영우; 천창율
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2006-02-17
Also published as: EP1041668A3; EP1041668A2; US6362706B1; KR20000061886A

Abstract

본 발명은 반도체(실리콘, GaAs, InP 등) 미세가공 기술을 이용하여 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) VCO(Voltage Controlled Oscillator)에서 방사하는 전자기파의 위상잡음을 감소시키기 위한 공동공진기를 기재한다. 본 발명에 따른 본 발명에 따른 전압제어발진기의 위상잡음 감소용 공동공진기는 기존의 금속 공동(metal cavity) 대신 실리콘이나 화합물 반도체를 미세가공한 공동(空洞)을 반사형의 전압제어발진기에 채용할 수 있도록 마이크로스트립 라인(microstrip line)과 결합시키고, 이 마이크로스트립 라인과 대응하는 공동의 상부 접지면 금속 박막을 소정 규격으로 제거한 격리용 슬랏(isolation slot)을 형성함으로써, 전압제어발진기에서 출력되는 마이크로/밀리미터파의 위상 잡음을 감소시킨다.

Description

전압제어발진기의 위상잡음 감소용 공동공진기{Cavity resonator for reducing a phase noise of a voltage controlled oscillator}

도 1a 및 도 1b는 종래의 공동공진기의 평면도 및 단면도,

도 2a 는 본 발명에 따른 공동공진기에 적용된 공동의 모양을 보여주는 도면,

도 2b는 본 발명에 따른 1-슬랏 반사형 공동공진기의 평면도 및 B-B' 라인을 따라 절개한 단면도,

도 2c는 도 2b의 1-슬랏 반사형 공동공진기에서 A-A'라인을 따라 절개한 단면도,

도 3은 도 2b 및 도 2c의 1-슬랏 반사형 공동공진기에서의 주파수 특성을 보여주는 그래프,

도 4는 도 2b 및 도 2c의 1-슬랏 반사형 공동공진기에서 출력된 전자기파의 S11 파라미터,

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 2-슬랏 공동공진기의 평면도 및 단면도, 그리고 도 6은 도 5a 및 도 5b의 2-슬랏 공동공진기에서 출력된 전자기파의 S11 파라메타를 보여주는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10. 슬랏 20. 공동

30. 마이크로스트립 라인 100. 하부 공동 박막

200. 접지면(ground plane) 박막 210, 220. 슬랏

300. 기판 400. 마이크로스트립 라인

500. 공동 600. 매칭저항

700a. 관통홀 700. 접지용 패드

본 발명은 반도체(실리콘, GaAs, InP 등) 미세가공 기술을 이용하여 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) VCO(Voltage Controlled Oscillator)에서 방사하는 전자기파의 위상잡음을 감소시키기 위한 공동공진기에 관한 것이다.

공동(空洞)(Cavity)을 사용하지 않은 마이크로파/밀리미터파 MMIC VCO에서 방사하는 전자기파는 위상잡음이 커서 FMCW를 이용한 레이다 시스템에 사용하기에는 부적절하다. 그리고 현재 위상잡음을 줄이기 위한 방법은 공진기로 유전체 디스크(dielectric disk)나 투과 라인(transmission line)을 주로 사용한다. 그러나 밀리미터파용 유전체 공진기는 고가이며 공진기의 위치에 따라 공진이 일어나는 주파수가 결정되므로 위치를 잡는 것이 용이하지않아 대량 생산에는 적합하지 않다. 또한 투과 라인(transmission line) 공진기는 Quality factor가 작아 위상잡음를 줄 이는 것이 어려운 문제점을 가지고 있다.

도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 공동공진기의 평면도 및 단면도로서, IEEE microwave and guided wave letters, Vol. 7, 168, 1997에 게재된 X-밴드 마이크로머시인 공진기(X-band micromachined resonator)의 구조를 보여준다. 이 공동공진기는 두 슬랏(10)을 통하여 두 마이크로스트립 라인(microstrip line, 30)이 공동(20)에 결합된 구조를 가지고 있다. 이러한 구조는 입력 포트(port)와 출력 포트를 가지는 투과형 공진기(transmission type resonator)로서, 반사형(Reflection type) 공진기 보다 피드(feed) 구조가 복잡하기 때문에 더 높은 Q값을 가진 공진기 설계가 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 높은 Q 값을 갖는 실리콘 마이크로머시닝된 공동(micromachined cavity)을 반사형(reflection type)의 전압제어발진기에 채용할 수 있도록 마이크로스트립 라인과 결합한 MMIC VCO에서 방사하는 전자기파의 위상잡음 감소용 공동공진기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 VCO에서 방사하는 전자기파의 위상잡음 감소용 공동공진기는, 반도체를 직육면체 구조로 식각한 다음 도전성 박막을 입혀 만든 하부 금속 박막 및 상기 하부 금속 박막의 직육면체 구조의 상부를 덮도록 형성된 상부 접지면 금속 박막을 구비한 공동; 상기 상부 접지면 금속 박막과 소정의 간격을 유지하고, 상기 공동의 일측 가장자리로부터 시작하여 타측 가장자리를 지나도록 소정 폭으로 형성되어 도파로를 형성하는 마이크로스트립 라인; 및 상기 마이크로스트립 라인에 대응하도록 상기 상부 접지면 금속 박막이 소정의 규격으로 제거된 1개의 슬랏;을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 하부 금속 박막, 상부 접지면 금속 박막 및 상기 마이크로스트립 라인은 Au으로 형성되고, 상기 마이크로스트립 라인과 상기 상부 접지면 금속 박막 사이에는 반도체 혹은 절연체로 형성된 기판이 삽입되어 상기 소정의 간격을 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 또 다른 VCO의 위상잡음 감소용 공동공진기는, 반도체를 직육면체 구조로 식각한 다음 도전성 박막을 입혀 만든 하부 금속 박막 및 상기 하부 금속 박막의 직육면체 구조의 상부를 덮도록 형성된 상부 접지면 금속 박막을 구비한 공동; 상기 상부 접지면 금속 박막과 소정의 간격을 유지하고, 상기 공동을 가로질러 지나도록 소정폭으로 형성되어 도파로를 형성하는 마이크로스트립 라인; 및 상기 상부 접지면 금속 박막이 상기 마이크로스트립 라인을 중심으로 대칭되게 소정의 규격으로 제거된 2개의 슬랏; 및 상기 공동의 일측 가장자리부에 대응하는 상기 마이크로스트립 라인을 소정폭 제거한 자리에 삽입된 매칭용 저항기;를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 하부 금속 박막, 상부 접지면 금속 박막 및 상기 마이크로스트립 라인은 Au으로 형성되며, 상기 마이크로스트립 라인과 상기 접지면 금속 박막 사이에는 반도체 혹은 절연체로 형성된 기판이 삽입되어 상기 소정의 간격을 유지하는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기 및 그 제작 방법을 상세하게 설명한다.

발진기의 위상 잡음은 송수신 시스템의 성능을 좌우하는 가장 중요한 요소중의 하나이다. 도 2a에 도시된 바와 같이은 직육면체 금속 공동(metal cavity)의 경우 공진이 일어나는 공진주파수는 다음 수학식 1과 같다.

여기서, V_ph는 공동 내에서의 위상 속도(phase velocity)이고, l,m,n은 공진 모드를 나타내는 정수이다. 공동의 성능을 측정하는 Q factor는 다음 세가지가 있고 아래와 같이 각각 정의된다.

unloaded Q(QU): QU = f0/Δf = (2πf0)W/Ploss

loaded Q(QL): unloaded Q considering the input and output load

external Q(QE): 1/QE = 1/QL- 1/QU

여기서, f₀는 공진주파수, W는 저장된 에너지, Ploss는 손실 에너지로 정의된다. 위상 잡음은 공진기의 Q 값의 제곱에 반비례하기 때문에 위상잡음을 줄이기 위하여 Q값이 큰 공진기를 사용하여야 한다. 이러한 공진기를 여기(excite)시키기 위하여 전자기파 에너지를 공동(cavity)에 결합(coupling)시키는 방법에는 동축 케이블 (coaxial cable), 도파관, 혹은 마이크로스트립 라인(microstrip line)과 구멍(aperture)를 이용하는 방법이 있다. 본 발명에 따른 공동공진기는, 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 보다 높은 Q 값을 갖는 실리콘 마이크로머쉰 공동(micromachined cavity)을 마이크로스트립 라인(microstrip line)과 결합시킨 반사형(reflection type)의 구조를 가지도록 하여 반사형 전압조절 발진기에 이용할 수 있도록 한 것이다. 따라서, 종래의 입력과 출력 포트를 가지는 투과형 공진기(transmission type resonator)에 비하여, 1 포트(port)를 가지는 반사형(reflection type) 공동공진기로서, 투과형(transmission type) 공동공진기 보다 피드(feed) 구조가 간단하기 때문에 더 높은 Q값을 가진 공진기의 제작이 가능하다. 이러한 공동공진기의 구조를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2b 및 도 2c는 각각 1-슬랏 반사형 공동공진기(Cavity resonator)의 개략적 구조를 보여주는 평면도 및 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공동공진기(Cavity resonator)는 기존의 금속 공동(metal cavity) 대신 실리콘이나 화합물 반도체 기판(1000)을 미세가공한 공동(空洞) 즉, 금(Au) 등의 금속 박막으로 형성된 직육면체 구조의 하부 공동(空洞)(cavity) 박막(100)과 이 하부 공동 박막(100)의 상부를 덮고 있는 접지면(ground plane) 박막(200)으로 이루어진 공동(空洞)(500)과 이 공동(500)의 상부 접지면 금속 박막(200)과 일정한 간격으로 이격되어 도파로를 이루는 Au의 박막으로 형성된 마이크로스트립 라인(400)이 결합된 구조를 기본적으로 구비한다. 마이크로 스트립 라인(400)과 공동의 상부 접지면 금속 박막(200)의 사이에는 일정한 간격의 도파로를 유지하기 위한 Si, 유리, 화합물 반도체 등의 기판(300)이 삽입된다. 이 기판(300)의 마이크로스트립 라인(400) 가장자리부 양쪽에는 관통홀(700a)이 형성되고 그 상면에 접지용 패드(700)가 접지면 금속 박막(200)과 접속되도록 형성된다. 그리고, 마이크로스트립 라인(400)은 공동의 일측 가장자리 부분에서 단절되며, 그 가장자리에 치우치는 접지면 박막(200)에는 마이크로스트립 라인(400)에 대응하는 하나의 슬랏(210)이 형성되어 도파로를 따라 전파된 전자기파가 공동(500)으로 도파되어 공진을 일으킬 수 있도록 한다.

삭제

이러한 구조의 1-슬랏 반사형 공동공진기는 VCO에서 나온 신호를 금으로 형성된 마이크로스트립 라인(400)으로 뽑아내고, 이 마이크로스트립 라인(400)과 공동(500)의 전자기파 결합(coupling)을 이용하여 공동(cavity) 안에 전자기파 모드(mode)를 발생시킨다. 마이크로스트립 라인(400)과 공동과의 전자기파 결합(coupling)은 적절하게 설정된 슬랏(slot)(210)를 이용하며, 이 슬랏(210)을 통하여 다시 공동 내의 안정된 모드(mode)의 전자기파가 마이크로스트립 라인으로 전달되어 안테나로 방사하게 된다. 즉, 도시된 바와 같은 1-슬랏 공동공진기(1-slot cavity resonator) VCO에서 출력된 전자기파가 마이크로스트립 라인(microstrip line)을 따라 슬랏(slot) 방향으로 진행하고, 슬랏(slot) 부근에서 결합(coupling)되어 공진기(cavity) 내에 존재하는 지배적 공동 모드(dominant cavity mode)(TE₁₁₀)를 여기(exite)시켜서 안정화된 공진주파수를 가진 전자기파가 다시 마이크로스트립 라인(microstrip line)을 따라 출력된다.

도 3은 이와 같은 1-슬랏 반사형 공동공진기 내에서의 주파수 특성을 보여주는 주파수 특성 곡선을 보여주며, 도 4는 출력된 전자기파의 S11 파라미터를 보여준다. 대체로, MMIC VCO에서 방출하는 전자기파는 위상잡음이 크므로 FMCW를 이용한 레이다 시스템에 적용하기는 어려우나 이와 같은 1-슬랏 반사형 공동공진기를 사용하면 VCO의 위상잡음을 크게 줄일 수 있다.

한편, 도 5a 및 도 5b는 2-슬랏 공동공진기(2-slot cavity resonator)의 평면 및 단면 구조를 보여주는 도면으로서, 상기 1-슬랏 반사형 공동공진기의 실시예를 투과형으로 제작하여 본 것이다. 작동원리는 도 2b 및 도 2c에 도시된 실시예와 같으며, 공진주파수 이외의 주파수를 갖는 전자기파를 소비시키는 50Ω 매칭저항(600)이 공동의 가장자리부에 대응하도록 마이크로스트립 라인(400)에 구비되며, 2개의 슬랏(220)이 공동 상부의 접지면 박막(200)에 마이크로스트립 라인(400)의 양측으로 대칭되게 형성된다. 동일한 부재번호는 상기 1-슬랏 공동공진기와 동일한 물질로 형성된 것이다. 이러한 제2실시예에서 출력된 전자기파의 S11 파라미터의 특성이 도 6에 도시된다. 결과는 1-슬랏 반사형 공동공진기 보다 양호하지는 않다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 전압제어발진기의 위상잡음 감소용 공동공진기는 기존의 금속 공동(metal cavity) 대신 실리콘이나 화합물 반도체를 미세가공한 공동(空洞)을 반사형의 전압제어발진기에 채용할 수 있도록 마이크로스트립 라인(microstrip line)과 결합시키고, 이 마이크로스트립 라인과 대응하는 공동의 상부 접지면 금속 박막을 소정 규격으로 제거한 격리용 슬랏(isolation slot)을 형성함으로써, 전압제어발진기에서 출력되는 마이크로/밀리미터파의 위상 잡음을 감소시킨다.

Claims

반도체를 직육면체 구조로 식각한 다음 도전성 박막을 입혀 만든 하부 금속 박막 및 상기 하부 금속 박막의 직육면체 구조의 상부를 덮도록 형성된 상부 접지면 금속 박막을 구비한 공동;

상기 상부 접지면 금속 박막과 이격되며, 상기 공동의 일측 가장자리로부터 시작하여 타측 가장자리를 지나가는 도파로를 형성하는 마이크로스트립 라인; 및

상기 마이크로스트립 라인에 대응하도록 상기 상부 접지면 금속 박막에 형성된 1개의 슬랏;을 구비하는 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.
제1항에 있어서,

상기 하부 금속 박막 및 상부 접지면 금속 박막은 금(Au)으로 형성된 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.
제1항에 있어서,

상기 마이크로스트립 라인은 금(Au)으로 형성된 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.
제1항에 있어서,

상기 마이크로스트립 라인과 상기 상부 접지면 금속 박막 사이에는 반도체 혹은 절연체로 형성된 기판이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.
제4항에 있어서,

상기 기판의 상기 마이크로스트립 라인 가장자리부 양쪽에는 관통홀이 형성되고, 이 관통홀을 통하여 상기 상부 접지면 금속 박막과 접속되도록 접지용 금속 패드가 더 형성된 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.
제4항에 있어서,

상기 반도체는 Si 혹은 화합물 반도체인 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.
제4항에 있어서,

상기 절연체는 유리인 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.
반도체를 직육면체 구조로 식각한 다음 도전성 박막을 입혀 만든 하부 금속 박막 및 상기 하부 금속 박막의 직육면체 구조의 상부를 덮도록 형성된 상부 접지면 금속 박막을 구비한 공동;

상기 상부 접지면 금속 박막과 소정의 간격을 유지하고, 상기 공동을 가로질러 지나도록 소정폭으로 형성되어 도파로를 형성하는 마이크로스트립 라인; 및

상기 상부 접지면 금속 박막이 상기 마이크로스트립 라인을 중심으로 대칭되게 소정의 규격으로 제거된 2개의 슬랏; 및

상기 공동의 일측 가장자리부에 대응하는 상기 마이크로스트립 라인을 소정폭 제거한 자리에 삽입된 매칭용 저항기;를

구비한 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.
제8항에 있어서,

상기 하부 금속 박막 및 상부 접지면 금속 박막은 금(Au)으로 형성된 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.
제8항에 있어서,

상기 마이크로스트립 라인은 금(Au)으로 형성된 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.
제8항에 있어서,

상기 마이크로스트립 라인과 상기 접지면 금속 박막 사이에는 반도체 혹은 절연체로 형성된 기판이 삽입되어 상기 소정의 간격을 유지하는 것을 특징으로 하 는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.
제11항에 있어서,

상기 기판의 상기 마이크로스트립 라인 가장자리부 양쪽에는 관통홀이 형성되고, 이 관통홀을 통하여 상기 상부 접지면 금속 박막과 접속되도록 접지용 금속 패드가 더 형성된 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.
제11항에 있어서,

상기 반도체는 Si 혹은 화합물 반도체인 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위 상 잡음 감소용 공동공진기.
제11항에 있어서,

상기 절연체는 유리인 것을 특징으로 하는 전압제어발진기의 위상 잡음 감소용 공동공진기.