KR100575367B1 - Nrd 가이드를 이용한 건발진기 및 위상고정루프방법 - Google Patents

Nrd 가이드를 이용한 건발진기 및 위상고정루프방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 NRD 가이드를 이용한 건발진기 및 위상고정루프 방법에 관한 것이다. 60GHz 대역의 안정된 발진주파수원을 얻기 위해 비방사유전체선로를 이용하여 건발진회로를 설계하였다. 이때 위상고정루프 구조에 있어서, 기준주파수원은 10GHz대역의 유전체공진기를 이용한 발진회로를 사용하였고, 기준주파수와 비교하기 위한 VCO신호는 분배 및 귀환회로인 θ 밴드 NRD가이드 곡선선로를 이용하여 VCO를 1/6로 분배하였고, 분배된 신호가 기준주파수와 비교되기 위해 하모닉믹서를 이용하여 IF신호를 얻어내고, 이 IF신호의 변화분에 의해서 전류량으로 바꾸어 VCO의 입력전압을 변경토록 한 후 최종적으로 안정되고 고정된 주파수원을 발진토록하는 것이 특징인 NRD가이드를 이용한 건발진기 및 위상고정루프방법이다.
NRD 가이드 선로, 위상고정루프, 건 발진기

Description

NRD 가이드를 이용한 건발진기 및 위상고정루프방법{PLL Method and Gunn Oscillator using NRD Guide}
도 1: 종래의 NRD 가이드 건 발진기 장치의 사시도이다.
도 2: NRD가이드를 이용한 NRD 가이드를 이용한 건발진기 및 위상고정루프방법을 설명한 블럭도이다.
도 3: NRD 가이드를 이용한 건발진기 및 위상고정루프방법을 제안한 평면도이다.
도 4: NRD 가이드곡선선로인 θ 밴드와 NRD 직선선로와의 결합간격(W)에 따라 분배되는 주파수 특성 그래프이다.
도 5: 측정된 VCO 위상잡음특성 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 상부 도체판
2: 하부 도체판
3: 안테나
4: 건다이오드마운트
5: 스트립 공진기
6: 모드스프레스
7: 주파수라킹용 세라믹공진기
101: 건다이오드
102: 건다이오드 마운트
103: 스트립공진기
104: LSE 모드스프레스
105: NRD 가이드선로
106: θ 밴드 NRD기이드 곡선선로
107: 터미네이터
108: 쇼트키배리어다이오드마운트
109: 10GHz 대역용 유전체공진발진소자(DRO)
110: SMA커넥터
111: IF선로
112: 위상고정루프회로
113: 입력전압선로
밀리미터파는 파장이 짧아서 각종 소자를 소형화, 경량화 시킬 수 있고 넓은 대역폭을 이용하여 많은 양의 정보를 수백 Mbps의 빠른 속도로 전송할 수 있으며, 직진성이 좋아서 목표물 추적 및 탐지 시에 높은 해상도와 정밀성을 얻을 수 있다.
지금까지는 마이크로스트립 라인(microstrip line), 유전체 도파관 등이 밀리미터파 집적회로에 응용되고 있다. 그러나 마이크로스트립 라인은 밀리미터파 영역에서 사용될 때 전도손실이 증가 한다는 단점이 있고, 또한 유전체 도파관는 직선 영역에서의 전도손실은 상당히 작은 값을 가지지만 유전체 도파로의 굽어진 부분이나 불연속적인 부분에서 옆의 라인과의 크로스토크(crosstalk)나 부가적인 손실이 발생한다.
이에 비해 비방사성 유전체 도파관(Nonradiative Dielectric Waveguide)은 비방사성이므로 마이크로스트립 라인에 비하여 전송손실이 낮고, 유전체 도파관에 비하여 굽어진 부분에서의 전송손실이 낮으며, 전송선로 및 회로 구성이 용이하여 밀리미터파 대역에서의 응용시스템에 적용 가능한 기술이다.
일반적으로 밀리미터파 대역에서 사용하는 송수신 시스템은 NRD 가이드 선로를 이용하여 실용화 될 수 있으며, 이때 발진 회로부가 반드시 필요하게 된다. 이러한 발진기는 안정화된 주파수를 가지며, 잡음 특성이 개선된 발진 주파수를 출력해야 한다.
도 1은 종래에 사용되고 있는 건다이오드(Gunn Diode) 마운트(mount)(4)에 의한 NRD 가이드 발진기를 나타내고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 기술 구성은 NRD 가이드 건 발진기의 발진 주파수 안정화를 위해 높은 Q값을 가지는 세라믹공진기(7)를 유전체 선로에 측결합 시킨, 즉 대역 저지형 구조가 많이 이용되고 있지만 다음과 같은 문제점들을 가지고 있다.
건 다이오드에서 발진된 주파수가 스트립공진기(5)에 의해 공진되고, 이때의 발진 주파수가 세라믹공진기(7)의 공진주파수 대로 라킹(locking)되는 삽입범위는 사용 주파수가 60GHz일 경우 최소 ±100MHz 정도 이내로 근접되어야 하기 때문에 이 범위내로 근접시키기 위한 기술적인 구성이 매우 어려운 문제가 있다.
또한 주파수 안정화를 위해서는 NRD 가이드선로(3)와 세라믹공진기(7)간의 측면 간격조정과 세라믹공진기(7)의 위치조정을 동시에 마이크로미터 단위로 복잡, 미세하게 조절해야 주파수 라킹이 되는 어려움이 있으므로 발진기 제작시 회로 구성이 쉽지않다.
또한 주변의 온도변화 및 전자파환경에 의한 VCO 발진주파수원의 위상변화가 생겨 주파수가 틀어지는 등 NRD가이드선로상에서 밀리미터파대역의 안정되고 고정된 주파수원을 얻어내기가 용이하지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 NRD 가이드를 이용한 건발진기 및 위상고정루프 구조 방식을 제안하였다.
상기와 같이 구성함에 있어서, 기준주파수원은 10GHz대역의 유전체공진기(109)를 이용한 발진회로를 사용하였고, 기준주파수와 비교하기 위한 VCO신호는 분배 및 귀환회로인 θ 밴드 NRD가이드곡선선로(106)를 이용하여 1/6로 분배하였고, 분배된 신호가 기준주파수와 비교되기 위해 하모닉믹서를 이용하여 IF신호를 얻어내고, 이 IF신호의 변화분에 의해서 전류량으로 바꾸어 VCO의 입력전압을 변경토록 한 후 최종적으로 안정되고 고정된 발진주파수 안정화 장치를 얻고자 하는 것을 목적으로 한다.
도 1는 종래의 NRD 가이드 건 발진기 장치를 나타낸 도이다.
도 2는 NRD가이드를 이용한 건발진기 및 위상고정루프방법을 설명한 블럭도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, NRD가이드 건발진기의 사용주파수는 60GHz로 하였고, 입력전압에 따라 특정한 주파수를 내보내는 VCO는 온도 및 주변 전자파환경 등의 영향에 의해 주파수가 변경되고, 이 출력주파수를 비교시키기 위해 1/6분배비를 가지는 분배회로에 의해 출력주파수를 분배한 후, 이를 다시 10GHz 대역의 기준주파수와 비교시키기 위해 하모닉 믹서에서 혼합하고, 혼합된 IF신호 중 불필요한 고조파 신호를 저역통과필터를 통해 걸러낸 후, 위상고정루프회로를 통해서 나온 최종 출력신호를 VCO의 입력전압에 반영토록 하였다.
본 발명에 있어서, 도 3은
도 4는 NRD 가이드를 이용한 건발진기 및 위상고정루프방법을 제안한 평면도이다. 상기 도 4에 있어서, 건발진회로는 사용주파수원은 60GHz 대역의 건다이오드를 이용하였고, 건다이오드가 고정된 다이오드마운트(102), 스트립공진기(103), LSE모드스프레스(104) 및 NRD가이드 직선선로(105)로 구성하였다.
또한 온도변화 및 주변전자파 등의 주변환경에 의해 원하지 않는 사용주파수가 발생하므로 위상고정루프 회로를 이용하여 안정된 발진주파수를 얻기 위해 다음과 같은 NRD 가이드 건발진회로를 구성한다.
상기 도 2의 블럭도를 참고하면 궤환할 신호를 분배하는 분배기는 NRD 가이 드 직선선로(105)와 일정한 결합계수를 가지는 θ 밴드 NRD 가이드곡선선로(106)를 이용하며, 이에 의해 발진주파수가 1/6 분배가 된다. 분배된 주파수는 상향 및 하향된 주파수 및 지터(jitter) 성분을 포함하게 되고, 이 주파수는 기준주파수원인 10GHz 국부발진신호와 비교하도록 한다. 이때 상기 도 2의 블럭도에서 하모닉 믹서(Mixer)는 θ밴드 NRD 곡선선로의 후방에 쇼트키배리어다이오드가 부착된 마운트(108)가 삽입된 구조로 구성하였고, 국부발진주파수(LO)인 기준주파수원은 10GHz대역의 유전체공진발진소자(109)를 이용하여 기준주파수원으로 사용하였다.
따라서 원래주피수보다 원하지 않게 상향 및 하향(Up/Down Frequency) RF신호는 하모닉믹서에서 10GHz의 국부발진신호와 혼합되어 IF로 생성되는 데, 이 IF 신호는 LO신호와 RF신호의 차이에 의해 얻어진다. 그리고 IF신호는 불필요한 고조파신호가 포함되기 때문에 이러한 고조파신호를 제거하기 위해 저역통과필터회로를 사용하여 걸러내고, 이후의 IF신호는 분배회로인 θ 밴드 NRD 가이드 곡선선로에 의해 분배될 때 포함된 지터성분을 보상하기 위해 위상고정루프회로를 이용하여 지터성분을 보상한다. 그리고 위상고정 및 지터성분이 보상된 신호는 VCO의 입력단자로 보내기 위해 건다이오드마운트에 바이어스 전압원으로 변환시킨다.
도 5는 상기 NRD 가이드곡선선로(106)인 θ 밴드와 NRD 직선선로(105)와의 결합간격(W)에 따라 분배되는 주파수 특성을 나타낸 것이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 일반적으로 상하도체판(115,116) 사이의 간격이 사용주파수의 반파장이하이며, 그 사이에 배치된 NRD 가이드 회로는 전송선로상의 전력은 손실이 없는 비방사 특성을 나타내기 때문에 NRD 가이드 직선선로(105)상의 전력을 손실없이 NRD 가이 드 곡선선로(106)로 분배시킬 수 있게 된다. 이때 분배되는 전력의 분배비는 NRD 가이드 직선선로(105)와 θ 밴드 NRD 가이드곡선선로(106) 사이의 결합간격(W)에 따라 조정할 수 있다. 도 4에 의하면 결합간격이 넓어짐에 따라 분배되는 주파수가 낮아짐을 알 수 있고, 결합간격(W)이 약 5mm 일때 60GHz 대역의 발진주파수의 1/6이 되는 주파수를 얻을 수 있었다.
또한 결합간격(W)을 조절하면 분배비가 가변되고, VCO 발진주파수를 원하는 주파수대역으로 조정할 수 있는 장점이 있다
본 발명에 있어서 도 6은 위상고정루프에 의해 안정된 발진신호의 특성을 나타내기 위해 측정된 VCO 위상잡음특성 그래프이다. 도 6에 있어서 중심주파수에서 약 10KHz 대역 떨어진 지점에서의 전력이 중심주파수 보다 약 120dB정도 낮게 나옴을 알 수 있다. 이는 VCO 발진 안정화 특성이 상당히 우수하게 나타남을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 NRD 가이드 건발진기의 발진주파수 안정화를 위하여 구성된 위상고정루프방법을 이용하였다. 이에 발진회로 주변의 온도변화 및 전자파환경에 의한 VCO 발진주파수원의 변화가 생겨 주파수가 틀어지는 등의 문제점을 NRD가이드 선로상에서 해결 할 수 있었고, 이를 이용한 NRD 가이드 건발진기는 밀리미터파 대역에서 보다 안정된 발진주파수 자원으로써 활용이 가능할 것이다.
본 발명에서 실시된 60GHz의 사용주파수외에 여타 밀리미터파 대역에서도 동 일한 방법으로 개선하여 사용될 수 있으며, 분배회로인 NRD 가이드 곡선선로와 NRD 가이드 직선선로와의 결합간격(W)을 조절하여 분배비를 가변하면 VCO 발진주파수를 원하는 주파수대역으로 조정하여 여러 주파수 대역에서 사용할 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

  1. NRD 가이드를 이용한 건발진기의 회로에 있어서,
    NRD 가이드 건발진소자는 밀리미터파 대역의 건다이오드를 이용하고; 건다이오드가 고정된 다이오드마운트, 스트립공진기, LSE모드스프레스 및 NRD가이드 직선선로로 및 NRD 가이드 곡선선로로 NRD 가이드 건발진회로를 구성한 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 건발진기의 회로
  2. 제 1항에 있어서,
    NRD 가이드 건발진기의 회로의 위상고정루프방법에 있어서,
    위상고정루프회로로 궤환하도록 하는 분배회로는 θ 밴드 NRD 가이드 곡선선로와 NRD 가이드 직선선로와 결합되도록 구성하고; 유전체공진발진소자를 이용한 국부발진주파수(LO)가 기준주파수원으로 이용되고; 분배된 RF신호는 밴드 NRD 가이드 곡선선로 후방에 삽입된 쇼트키배리어다이오드 마운트에 의해 인입되어 하모닉 믹서로 구성되고; 이때 국부발진주파수와 RF신호의 차이성분을 얻기 위해 하모닉믹서에서 혼합되어 IF신호가 생성되도록 하고; IF신호에 포함된 상향 및 하향된 주파수성분 및 지터성분을 위상고정루프에서 제어하여 VCO 조절단자의 전압원으로 변환되도록 구성한 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 건발진기의 위상고정루프방법
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 분배회로는 분배되는 전력의 분배비가 NRD 가이드 직선선로와 θ 밴드 NRD 가이드 곡선선로 사이의 결합간격(W)에 따라 1/N배 전력분배하고; 분배비를 가변하여 VCO 발진주파수를 원하는 주파수대역으로 조정할 수 있는 방법을 사용한 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 건발진기의 위상고정루프방법
  4. 제 2항에 있어서,
    NRD 가이드 건발진소자는 밀리미터파 대역의 타 발진기를 이용한 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 건발진기의 위상고정루프방법
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 국부발진주파수와 RF신호의 차이성분을 얻기 위해 하모닉믹서에서 혼합되어 IF신호는 불필요한 고조파신호성분이 포함되어 있으므로 저역통과필터를 이용하여 불필요한 고조파를 제거하는 것을 특징으로 하는 NRD 가이드를 이용한 건발진기의 위상고정루프방법
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 저역통과필터를 통과한 IF신호는 그 속에 포함된 지터성분 및 상하향주파수 성분을 보상하기 위해 위상고정루프회로를 이용하여 보상하고; VCO 조절단자 입력을 제어할 수 있는 바이어스 전압값으로 변환하도록 하는 것을 특징으로 하는 RD 가이드를 이용한 건발진기의 위상고정루프방법
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