KR100691284B1

KR100691284B1 - 부성 저항의 미세 조정이 가능한 전압 제어 발진기

Info

Publication number: KR100691284B1
Application number: KR1020040079768A
Authority: KR
Inventors: 이용덕; 정철오; 은종원; 이성팔; 이호진
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2007-03-12
Also published as: KR20060030932A

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 부성 저항의 미세 조정이 가능한 전압 제어 발진기에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 새로운 동조 형태 및 전기적 미세 조정이 가능한 부성 저항부를 포함함으로써, 품질 계수 특성이 우수하며 제작 후에도 부성 저항의 미세 조정이 가능한 전압 제어 발진기를 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 능동 소자를 포함하는 전압 제어 발진기에 있어서, 공진 용량에 의한 발진 주파수를 생성하기 위한 공진 수단; 상기 능동 소자의 소스(source) 단에 연결되어 상기 발진 주파수를 동조시키기 위한 주파수 동조 수단; 및 상기 능동 소자의 소스(source) 단에 연결되어 상기 발진 주파수를 조절하기 위한 부성 저항을 생성하며, 상기 부성 저항을 전기적으로 미세 조정하기 위한 바랙터 다이오드를 포함하는 부성 저항 조정 수단을 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 이동 통신 시스템 등에 이용됨.

전압 제어 발진기, 부성 저항, 바랙터 다이오드

Description

부성 저항의 미세 조정이 가능한 전압 제어 발진기{Voltage Controlled Oscillator Capable of Tuning Negative Resistance}

도 1은 종래의 일반적인 전압 제어 발진기의 회로도,

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전압 제어 발진기의 회로도,

도 3은 도 1의 종래 전압 제어 발진기의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프,

도 4는 도 2의 전압 제어 발진기의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프,

도 5는 도 1의 종래 전압 제어 발진기의 위상 잡음 특성을 나타낸 그래프,

도 6은 도 2의 전압 제어 발진기의 위상 잡음 특성을 나타낸 그래프,

도 7은 도 2의 전압 제어 발진기의 동조 스펙트럼을 나타낸 그래프,

도 8은 도 2의 전압 제어 발진기의 부성 저항 변화량을 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

210 : 공진부 220 : 주파수 동조부

230 : 출력 정합부 240 : 부성 저항 조정부

250 : 능동 소자 222, 242 : 바랙터 다이오드

본 발명은 전압 제어 발진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 새로운 동조 형태 및 전기적 미세 조정이 가능한 부성 저항부를 포함한 전압 제어 발진기에 관한 것이다.

전압 제어 발진기는 외부에서 인가된 전압으로 원하는 발진 주파수를 출력할 수 있게 해주는 장치로서, RF 신호를 변·복조할 때 효율과 안정성 확보에 가장 큰 영향을 미치는 회로이다.

전압 제어 발진기의 공진부에는 안정성이 뛰어나며 온도 변화에 따른 영향이 적고 품질 계수 값이 높은 유전체 공진기가 일반적으로 사용되었으나, 최근 RF 부품들의 소형화, 경량화, 고집적화, 경제성 등의 요구에 따라 헤어 핀과 같은 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)화 하기에 적합한 평면 구조의 공진기가 주로 사용되고 있다.

도 1은 종래의 일반적인 전압 제어 발진기의 회로도로서, 단일 발진기에 바랙터 다이오드를 병렬 형태로 추가한 전압 제어 발진기이다.

도시된 바와 같이, 종래의 전압 제어 발진기는 상하부가 전송 선로와 결합된 공진기(110), 공진기(110) 부분에 주파수를 변화시키기 위한 바랙터 다이오드(120), 능동 소자(130), DC 차폐를 위한 대역 통과 필터(140) 및 부성 저항을 발생시키기 위한 오픈 스터브(150)를 포함하여 구성되어 있다.

공진기(110)는 대역 통과 필터 특성을 갖고, 공진기(110)의 상하부는 커플링 갭(160, 170)이 존재하며, 도 1의 전압 제어 발진기는 공진기(110)와 능동 소자(130) 사이의 길이와 오픈 스터브(150)의 길이 조절을 통해 발진 주파수가 변화한다.

이와 같이, RF/Microwave 대역에서 주로 사용하는 일반적인 전압 제어 발진기에서는 부성 저항을 발생시키기 위해 능동 소자(130)의 소스(source) 단에 오픈 스터브(150)를 연결하며, 부성 저항의 조정을 위해 물리적으로 오픈 스터브(150) 주변에 패드(PAD)를 추가하거나, 오픈 스터브(150)의 길이를 조금씩 조절하며 부성 저항을 조정한다.

이러한 종래의 전압 제어 발진기는 품질 계수 특성이 우수하지 못하며, 또한 부성 저항의 조정 과정에서 큰 오차가 발생하는 문제점이 있다. 또한 MMIC 발진기의 경우에는 제작이 완료된 후 부성 저항 조정이 불가능한 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 새로운 동조 형태 및 전기적 미세 조정이 가능한 부성 저항부를 포함함으로써, 품질 계수 특성이 우수하며 제작 후에도 부성 저항의 미세 조정이 가능한 전압 제어 발진기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 능동 소자를 포함하는 전압 제어 발진기에 있어서, 공진 용량에 의한 발진 주파수를 생성하기 위한 공진 수단; 상기 능동 소자의 소스(source) 단에 연결되고 품질 계수의 저하를 최소화하기 위해 커플링 선로 및 바랙터 다이오드를 포함하여 상기 소스 단의 공진 용량을 변화시켜 상기 발진 주파수를 동조시키기 위한 주파수 동조 수단; 및 인터디지털 캐패시턴스를 포함하고, 상기 주파수 동조부와 결합하여 상기 발진 주파수를 조절하기 위한 부성 저항을 생성하며, 상기 부성 저항을 전기적으로 미세 조정하기 위한 바랙터 다이오드를 포함하는 부성 저항 조정 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전압 제어 발진기의 회로도로서, 단일 발진기에 주파수 동조부 및 부성 저항 조정부를 추가한 형태이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전압 제어 발진기는 공진부(210), 주파수 동조부(220), 출력 정합부(230) 및 부성 저항 조정부(240)를 포함한다.

이 때, 공진부(210)는 능동 소자(250)의 게이트 단에 열결되어 공진 용량에 따른 발진 주파수를 생성하며, 주파수 동조부(220) 능동 소자(250)의 소스 단에 연결되어 상기 발진 주파수를 동조시키고, 부성 저항 조정부(240)는 주파수 동조부(220)와 결합하여 상기 발진 주파수를 조절하며, 출력 정합부(230)는 능동 소자(250)의 드레인 단에 연결되어 상기 발진 주파수를 대역 통과 필터링하고 DC 성분을 제거하여 발진 주파수를 출력한다. 본 실시예에서 상기 능동 소자(250)로 HEMT 소자를 이용한다.

구체적으로 살펴보면, 능동 소자(250)의 게이트 단은 공진기(211)와 커플링된 전송 선로(212)와 연결하고, 기생 발진과 히스테리시스를 억제하기 위하여 50Ω으로 종단시킨다. 또한, 게이트 바이어스는 자기 바이어스(Self bias) 형태를 취하여 단일 전원으로 한다.

이 때, 공진기(211)는 대역 저지 필터로서 원하는 주파수를 전송 선로(212)로 충분히 반사 시켜야 한다. 대역 저지 필터의 반사 손실과 반사 선택도는 부하로 전달되는 에너지와 위상 잡음 특성에 영향을 끼치며 이는 공진기(211)의 품질 계수와 직접적인 관계가 있다. 따라서, 전압 제어 발진기의 선형 설계 뿐 아니라 출력과 위상 잡음 등을 예측하는 비선형 설계시 실제 사용되는 헤어-핀 공진기의 정확한 구현이 반드시 필요하다. 본 실시예에서는 일반적인 헤어-핀 공진기에 비해 작고 우수한 품질 계수 값을 갖는 공진기(211)를 사용한다.

공진기(211)와 전송 선로(212) 사이의 커플링 갭을 최적화하여 공진기(211)의 품질 계수가 최적화 되도록 하고, 능동 소자(250)의 소스 단에 연결된 주파수 동조부(220)는 품질 계수의 저하를 최소화 하도록 50Ω의 커플링 선로(221) 및 바랙터(varactor) 다이오드(222)를 포함한다.

한편, 부성 저항 조정부(240)는 부성 저항을 발생시키기 위한 인터디지털 캐패시턴스(241)를 포함하고, 인터디지털 캐패시턴스(241)는 부성 저항을 미세 조정하기 위한 바랙터 다이오드(242)와 연결한다. 이 때, 바랙터 다이오드(242)의 캐패시턴스 변화 및 공진기(211)와 능동 소자(250) 사이의 길이 변화에 따라 능동 소자(250)의 소스 단의 전기적 길이가 변하여 부성 저항 값이 변하고, 이에 따라 초기 발진 조건이 만족되면 전압 제어 발진기는 정상 상태 발진에 도달하게 된다.

또한, 출력 정합부(230)는 DC 차폐와 대역 통과 필터 역할을 하는 마이크로 스트립 선로를 포함한다.

이하에서는 RF 회로 디자인 툴(CAD Tool)인 ADS 2003으로 도 1 및 도 2의 전압 제어 발진기를 시뮬레이션한 결과에 대해서 설명하도록 한다.

도 3은 도 1의 종래 전압 제어 발진기의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도 4는 도 2의 전압 제어 발진기의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 종래 전압 제어 발진기는 기본 주파수 성분(m1)과 두번째 하모닉(harmonic) 성분(m2)의 출력이 약 -65 ㏈c 차이를 나타내며, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전압 제어 발진기는 기본 주파수 성분(m1)과 두 번재 하모닉 성분(m2)의 출력이 약 -62 ㏈c 차이를 나타낸다.

도 5는 도 1의 종래 전압 제어 발진기의 위상 잡음 특성을 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 2의 전압 제어 발진기의 위상 잡음 특성을 나타낸 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이 종래 전압 제어 발진기는 오프셋 1 ㎑에서 -73.39 ㏈c, 오프셋 10 ㎑에서 -93.39 ㏈c, 오프셋 100 ㎑에서 -73.39 ㏈c의 위상 잡음 특성을 나타내며, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전압 제어 발진기는 오프셋 1 ㎑에서 -91.84 ㏈c, 오프셋 10 ㎑에서 -111.8 ㏈c, 오프셋 100 ㎑에서 -131.8 ㏈c의 위상 잡음 특성을 나타내어 종래 전압 제어 발진기보다 우수한 특성을 나타낸다.

도 7은 도 2의 전압 제어 발진기의 동조 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전압 제어 발진기는 주파수 8.8 ㎓를 중심으로 25 ㎒의 동조 대역폭에서 ±0.4의 평탄도(Flatness)의 결과를 나타낸다. 즉, 도 2의 주파수 동조부(220)에 의한 전압 제어 발진기의 동조 주파수는 평탄도 특성이 우수하다.

도 8은 도 2의 전압 제어 발진기의 부성 저항 변화량을 나타낸 일실시예 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 도 2의 전압 제어 발진기는 바랙터 다이오드(242) 의 캐패시턴스 값의 변화에 따라 소드 단의 전기적 길이가 변하여 부성 저항 값이 변한다. 도 8의 그래프에서 m1 부분이 부성 저항 값의 변화량을 나타낸다.

상기와 같은 본 발명은, 인터디지털 캐패시턴스와 바랙터 다이오드의 결합을 통해 전기적으로 부성 저항 값을 미세 조정함으로써 품질 계수의 저하없이 발진 주파수를 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 전압 제어 발진기가 MMIC로 제작된 후에도 물리적 조정이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 능동 소자의 소스 단에 커플드 라인과 바랙터 다이오드를 위치시켜 바이어스 전압에 따른 주파수 동조를 원활히 할 수 있는 효과가 있다.

Claims

능동 소자를 포함하는 전압 제어 발진기에 있어서,

공진 용량에 의한 발진 주파수를 생성하기 위한 공진 수단;

상기 능동 소자의 소스(source) 단에 연결되고 품질 계수의 저하를 최소화하기 위해 커플링 선로 및 바랙터 다이오드를 포함하여 상기 소스 단의 공진 용량을 변화시켜 상기 발진 주파수를 동조시키기 위한 주파수 동조 수단; 및

인터디지털 캐패시턴스를 포함하고, 상기 주파수 동조부와 결합하여 상기 발진 주파수를 조절하기 위한 부성 저항을 생성하며, 상기 부성 저항을 전기적으로 미세 조정하기 위한 바랙터 다이오드를 포함하는 부성 저항 조정 수단

을 포함하는 전압 제어 발진기.
제 1 항에 있어서,

상기 발진 주파수 성분을 대역 통과 필터링하고 DC 성분을 제거하여 원하는 발진 주파수 성분을 출력하기 위한 출력 정합 수단

을 더 포함하는 전압 제어 발진기.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 부성 저항 조정 수단은,

상기 바랙터 다이오드의 캐패시턴스 값의 변화에 따라 상기 소스 단의 전기적 길이를 가변하여 부성 저항 값을 조정하는

전압 제어 발진기.
제 4 항에 있어서,

상기 공진 수단은,

동축형 공진기(Coaxial Resonator), 헤어-핀 공진기(Hair-Pin Resonator), 유전체 공진기(Dielectric Resonator) 중 어느 하나를 사용하는

전압 제어 발진기.