KR100727888B1 - A resonant using a corrugated cpw structure and a microwave oscillator using it and a phase noise reduction method of it - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 발진기의 블록 구성도.1 is a block diagram of a typical oscillator.
도 2는 본 발명에 따른 주기적인 홈이 파인 CPW구조를 이용한 공진기의 구조도.2 is a structural diagram of a resonator using a periodic grooved CPW structure according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 주기적인 홈이 파인 CPW구조의 산란계수를 나타낸 도.3 is a view showing a scattering coefficient of a periodic grooved CPW structure according to the present invention.
도 4는 발진기의 부성저항 등가 모델.Figure 4 is a negative resistance equivalent model of the oscillator.
도 5는 도 2의 구조를 이용하여 제작된 발진기의 사진을 나타낸 도.5 is a view showing a picture of the oscillator manufactured using the structure of FIG.
도 6은 인터- 디지털 캐패시터를 나타낸 도.6 illustrates an inter-digital capacitor.
도 7은 본 발명에 따른 발진기의 출력 스펙트럼을 나타낸 도.7 shows the output spectrum of an oscillator according to the present invention.
도 8은 본 발명의 구조를 이용하지 않은 발진기의 출력 스펙트럼을 나타낸 도.8 illustrates the output spectrum of an oscillator without using the structure of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 초고주파 기판 101 : 금속 라인100: high frequency substrate 101: metal line
103, 105 : 접지 금속판 107 : 슬롯103, 105: ground metal plate 107: slot
본 발명은 CPW(Coplanar Waveguide)구조를 이용한 공진기 및 이를 이용한 초고주파 발진기 및 이의 위상잡음 감소방법에 관한 것으로서, 특히 주기적인 홈이 파인 CPW구조를 발진기의 공진기에 이용하여 발진기의 출력신호의 위상잡음을 감소시킬 수 있도록 하는 주기적인 홈이 파인 CPW구조를 이용한 공진기 및 이를 이용한 초고주파 발진기와 이의 위상잡음 감소방법에 관한 것이다.The present invention relates to a resonator using a coplanar waveguide (CPW) structure, an ultra-high frequency oscillator using the same, and a method of reducing phase noise thereof. The present invention relates to a resonator using a periodic grooved CPW structure and a high frequency oscillator using the same and a method for reducing phase noise thereof.
발진기는 송수신기 등에서 기준신호를 발생시키는 부분으로, 도 1은 일반적인 발진기의 블록 구성도를 나타낸 것이다.An oscillator is a part for generating a reference signal in a transceiver, etc. FIG. 1 is a block diagram of a general oscillator.
도 1에 도시한 바와 같은 일반적인 발진기는, LC공진 또는 구조체 공진 등을 통하여 발진 주파수를 선택해주는 공진기(10), 상기 공진기(10)에서 피할 수 없는 저항성분을 보상하여 한번 시작된 발진을 지속적으로 유지시켜주는 역할을 하는 증폭기(20), 그리고 상기 공진기(10)와 증폭기(20)를 결합하여 전체적으로 발진기 루프를 만들어내는 정합회로(Matching Circuit)(30)로 구성되어져 있다.A general oscillator as shown in FIG. 1 maintains an oscillation started once by compensating an inevitable resistance component in the
이러한 종래의 발진기는 공진기를 단순히 인덕터와 캐패시터를 조합한 LC공진회로로 만들거나 또는 유전체 공진기 등을 사용하였다. Such a conventional oscillator is simply made of an LC resonant circuit combining an inductor and a capacitor or a dielectric resonator.
그러나 LC공진기의 경우 고조파에서 발생하는 회로의 기생 효과에 기인한 정확한 발진 주파수 예측이 쉽지 않고, 유전체 공진기의 경우 잡음 등의 특성은 좋으나 효율의 측면에서는 향상된 모습을 보이지 않을 뿐더러 회로가 모두 제작된 후에 회로 기판에 본드 등을 이용하여 붙여야 하는 등 제작에 있어서 불편함이 있었다.However, in case of LC resonator, accurate oscillation frequency estimation is not easy due to the parasitic effect of harmonics. In case of dielectric resonator, noise characteristics are good but efficiency is not improved. There were inconveniences in manufacturing such as attaching to a circuit board using a bond or the like.
한편, 종래 "S. J. Kim and N. H. Myung, "A new PBG structure: Corrugated CPW," Microwave and Optical Technology Letters, vol.39, No. 5, pp. 412??414, Dec. 2003."에는 CCPW(Corrugated CPW) 구조를 최초로 제시하고 있으나, 이는 단지 CCPW구조를 저역통과필터(Low-Pass Filter)로 이용한 것으로, 이 구조를 이용한 발진기의 위상잡음 감소화 방안에 대해서는 전혀 제시되어 있지 않다.Meanwhile, the conventional "SJ Kim and NH Myung," A new PBG structure: Corrugated CPW, "Microwave and Optical Technology Letters, vol. 39, No. 5, pp. 412 ?? 414, Dec. 2003. CPW) is proposed for the first time, but it uses only the CCPW structure as a low-pass filter, and there is no suggestion on how to reduce the phase noise of the oscillator using this structure.
따라서 새로운 CCPW(Corrugated CPW)형태의 구조를 발진기의 공진기로 적용하여 이 구조의 높은 품질계수(Q-factor)에 기인한 새로운 발진기의 위상잡음 감소방안을 제시하고자 한다.Therefore, the new corrugated CPW (Corrugated CPW) type structure is applied to the resonator of the oscillator to propose a method for reducing the phase noise of the new oscillator due to the high Q-factor of the structure.
본 발명은 이러한 점을 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 주기적인 홈이 파인 CPW인 CCPW(Corrugated CPW) 구조를 발진기의 공진기로 적용하여 이 구조의 높은 품질계수(Q-factor)을 바탕으로 발진기의 위상잡음을 감소시킬 수 있도록 한 주기적인 홈이 파인 CPW구조를 이용한 공진기 및 이를 이용한 초고주파 발진기와 이의 위상잡음 감소방법을 제공함에 있다.The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to apply a CCPW (Corrugated CPW) structure, which is a periodic grooved CPW, as a resonator of an oscillator, and based on the high quality factor (Q-factor) of the oscillator, The present invention provides a resonator using a periodic grooved CPW structure to reduce phase noise, an ultra-high frequency oscillator using the same, and a method of reducing phase noise thereof.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주기적인 홈이 파인 CPW구조를 이용한 공진기는, 그 가운데에 금속 라인이 형성되고, 상기 금속 라인의 양측으로 소정의 간격을 두고 접지 금속판이 형성되며, 상기 접지 금속판에 일정 간격으로 다수의 슬롯이 형성된 것을 특징으로 한다.The resonator using the periodic grooved CPW structure according to the present invention for achieving the above object, the metal line is formed in the center, the ground metal plate is formed at predetermined intervals on both sides of the metal line, the ground A plurality of slots are formed at a predetermined interval on the metal plate.
상기 금속 라인 및 접지 금속판은 유전상수 10.2, 두께 25 mil.의 초고주파 기판에 형성되며, 상기 슬롯은 에칭에 의해 상기 초고주파 기판에 금속 라인 및 접지 금속판 형성시 함께 형성된다.The metal line and the ground metal plate are formed on a microwave substrate having a dielectric constant of 10.2 and a thickness of 25 mil., And the slots are formed together when the metal line and the ground metal plate are formed on the microwave substrate by etching.
또한, 상기 슬롯의 깊이는 5mm이며, 상기 금속 라인의 두께는 0.9mm이며, 상기 금속 라인과 양측 접지 금속판과의 간격은 0.55mm인 것이 바람직하다.In addition, the depth of the slot is 5mm, the thickness of the metal line is 0.9mm, the distance between the metal line and both ground metal plate is preferably 0.55mm.
그리고 본 발명의 초고주파 발진기는 그 가운데에 금속 라인이 형성되고, 상기 금속 라인의 양측으로 소정의 간격을 두고 접지 금속판이 형성되며, 상기 접지 금속판에 일정 간격으로 다수의 슬롯이 형성된 주기적인 홈이 파인 CPW구조를 이용한 공진기를 적용한 것을 특징으로 한다.The ultra-high frequency oscillator of the present invention has a metal line formed therein, a ground metal plate is formed at predetermined intervals on both sides of the metal line, and a periodic groove is formed in which a plurality of slots are formed at a predetermined interval on the ground metal plate. It is characterized by applying a resonator using a CPW structure.
상기 초고주파 발진기는 그 출력단에 인터-디지털 캐패시터(inter-digital capacitor)가 더 구비된다.The ultra-high frequency oscillator is further provided with an inter-digital capacitor at its output end.
또한, 본 발명의 초고주파 발진기의 위상잡음 감소방법은, 그 가운데에 두께 0.9mm의 금속 라인이 형성되고, 상기 금속 라인의 양측으로 0.55mm의 간격을 두고 접지 금속판이 형성되며, 상기 접지 금속판에 일정 간격으로 깊이가 5mm인 다수의 슬롯이 형성된 주기적인 홈이 파인 CPW구조를 이용한 공진기의 공진점을, 6GHz부분에 해당하는 산란계수 S(2,1)이 급격히 떨어지는 부분으로 설정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the phase noise reduction method of the ultra-high frequency oscillator of the present invention, a metal line having a thickness of 0.9mm is formed in the center, a ground metal plate is formed at intervals of 0.55mm on both sides of the metal line, and a constant on the ground metal plate The resonance point of the resonator using a periodic grooved CPW structure having a plurality of slots having a depth of 5 mm at intervals is set to a portion in which the scattering coefficient S (2,1) corresponding to the 6 GHz portion drops rapidly.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following examples are merely to illustrate the present invention is not limited to the contents of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 주기적인 홈이 파인 CPW구조를 이용한 공진기 구조를 나타낸 것으로, 사용된 기판은 유전상수 10.2, 두께 25 mil.의 RT/Duroid 6010 기판으로 50옴매칭을 위하여 가운데 금속 라인(101)의 두께는 0.9mm로 하였고, 가운데 금속 라인(101)과 양쪽 접지 금속판(103),(105)과의 간격은 0.55mm로 하였다. 2 shows a resonator structure using a periodic grooved CPW structure according to the present invention. The substrate used is a RT / Duroid 6010 substrate having a dielectric constant of 10.2 and a thickness of 25 mils. The thickness of 101 was 0.9 mm, and the distance between the
이러한 평면형의 공진기 제작시 회로 레이아웃을 위한 기판 에칭을 한번만 하면 되기 때문에 기존의 기판의 금속판 에칭 공정 후 인덕터, 케패시터 등을 납땜 등을 통하여 집적해야 하는 LC 공진기나 또는 전송선과 인접하여 위치시킨 뒤 접착제 등을 이용하여 기판과 접착시키는 공정을 반드시 거쳐야 하는 유전체 공진기 등과 비교하였을 때 좀 더 간단한 공정으로 회로를 제작할 수 있다는 장점이 있다.When manufacturing such a planar resonator, only one etching of the substrate is required for circuit layout. Therefore, after inducting the metal plate of the existing substrate, the inductor, capacitor, etc. must be placed adjacent to the LC resonator or transmission line which must be integrated by soldering, Compared to a dielectric resonator which must go through a process of bonding to a substrate by using such as, there is an advantage that the circuit can be manufactured in a simpler process.
공진기의 레이아웃을 자세히 살펴보면 검은 부분이 초고주파 기판(100)에서 금속이 남아 있는 부분이고, 기본적인 CPW전송선의 구조상 가운데 금속 부분인 금 속 라인(101)이 있고, 이 금속 부분과 간격을 두고 양쪽으로 접지 금속판(103),(105)이 두 부분으로 되어 있다. Looking at the layout of the resonator in detail, the black portion is the portion where the metal remains in the
이 접지 금속판(103),(105)에 일정 간격으로 다수의 홈 즉, 슬롯(107)을 만들며, 이 과정은 CPW기판이 제작될 때 금속을 에칭하는 공법으로 한번에 쉽게 제작가능하다. 본 발명에서는 이와 같이 CPW구조에 다수의 슬롯(107)이 형성된 구조를 CCPW(Corrugated CPW)라 한다. A plurality of grooves, that is,
상기와 같이 슬롯(107) 형성되면 CPW를 통하여 가이드 되는 많은 주파수의 파형(wave) 중 슬롯(107)의 길이가 파장의 1/4되는 어느 특정한 주파수를 갖는 파형은 슬롯(107)의 접지 상태에서 1/4파장 만큼의 임피던스가 변환된 임피던스인 무한대의 임피던스를 만나게 되므로(임피던스 스미스 차트에서 보면 가장 왼쪽 지점인 short에서 180도 회전된 가장 오른쪽 지점인 open지점으로 이동한다) 파형이 전혀 진행하지 않는 특성을 갖게 된다. When the
여기에서 슬롯(107)의 깊이는 5mm로 하였는데, 이는 가이드되는 파형의 주파수가 6GHz에 해당하는 경우 기판 안에서 1/4 파장에 해당하는 길이이다. 또한, 슬롯(107) 사이의 간격은 0.5 mm이다.Here, the
도 3에 도 2와 같은 구조의 산란계수를 나타내었다. 3 shows the scattering coefficient of the structure shown in FIG. 2.
상기에서 예상한 바와 같이 6GHz에서 산란계수(S(2,1))가 급격히 떨어지는 모양을 보이고 있는데, 이는 곧 위 구조의 port2에서 보는 입력 임피던스가 50옴에 서 급격하게 변하고 있다는 말과 같은 말이 된다.As expected, the scattering coefficient (S (2,1)) drops sharply at 6 GHz, which is the same as saying that the input impedance seen at
상기 S(2,1)은 초고주파 공학분야에서 많이 사용하는 S-parameter의 일부로, S(2,1)은 입력되는 전압 혹은 전력을 출력되는 전압 또는 전력으로 나눈 것이며, 능동(active)소자에서는 이득(gain)이라고도 불리고, 수동(passive)소자에서는 삽입손실(insertion loss 또는 transmission loss)이라고도 불린다.S (2,1) is a part of S-parameter which is used in the field of high frequency engineering. S (2,1) is the input voltage or power divided by the output voltage or power. In active devices, gain Also called (gain), in passive devices, it is also called insertion loss or transmission loss.
또한, 상기의 경우 다음의 K.Kurokawa[1]가 제시한 발진기의 위상잡음 식에 의하면 공진기단의 입력임피던스 Zc가 주파수에 따라서 급격하게 변하고 있으므로 이는 곧 위상잡음 식의 분모 성분의 증가로 이어지고 따라서 이 주파수 근처에서 발진기의 위상잡음은 줄어드는 효과를 갖게 된다. In addition, according to the phase noise equation of the oscillator presented by K. Kurokawa [1], the input impedance Zc of the resonator stage changes rapidly with frequency, which leads to an increase in the denominator component of the phase noise equation. Near this frequency, the phase noise of the oscillator has a diminishing effect.
이러한 특성은 도 3에서 3.5GHz에서의 산란계수의 선예도(sharpness)와 발진주파수로 적용하고자 하는 5.5GHz의 선예도의 차이에서도 쉽게 발견할 수 있다(산란계수의 선예도 정도는 Q-factor로 나타내며, Q값이 높을수록 적은 위상잡음을 갖는 발진기를 만들 수 있다는 사실은 알려진 사실이다.).This characteristic can be easily found in the difference between the sharpness of the scattering coefficient at 3.5 GHz and the sharpness of 5.5 GHz to be applied as the oscillation frequency in FIG. 3 (the degree of sharpness of the scattering coefficient is represented by Q-factor, It is known that higher values make oscillators with less phase noise).
상기 식에서 Zd=Rd+jXd는 발진기의 증폭기단을 바라보았을 때 나타나는 부성저항을 포함한 부성 임피던스이고, Zc는 발진기의 공진기단을 바라보았을 때 나타나는 공진기단의 임피던스이다. In the above formula, Zd = Rd + jXd is a negative impedance including negative resistance when looking at the amplifier stage of the oscillator, and Zc is the impedance of the resonator stage when looking at the resonator stage of the oscillator.
A는 발진신호의 크기이고, A0는 정상 상태(steady state)에 도달하였을때 발진신호의 크기이며, |e|^2는 발진기 회로에 존재하는 열잡음 및 트랜지스터의 잡음을 모델링한 것이다. A is the magnitude of the oscillation signal, A0 is the magnitude of the oscillation signal when the steady state is reached, and | e | ^ 2 is a model of thermal noise and transistor noise present in the oscillator circuit.
위 식의 유도를 위한 발진기의 부성저항을 이용한 등가회로를 도 4에 나타내었다. 이 발진기 루프를 흐르는 출력전류 i(t)= A cos(ωt+φ)로 모델링한다. 여기서 ω는 발진 주파수이고, φ는 발진신호의 위상이다.The equivalent circuit using the negative resistance of the oscillator for induction of the above equation is shown in FIG. The oscillator loop is modeled as output current i (t) = A cos (ωt + φ). Where? Is the oscillation frequency and? Is the phase of the oscillation signal.
위 CCPW구조를 발진기의 공진기로 사용하여 위상잡음을 향상시킨 발진기의 제작된 사진을 도 5에 나타내었다.The fabricated photo of the oscillator with improved phase noise using the above CCPW structure as the resonator of the oscillator is shown in FIG. 5.
발진기의 게이트 부분에 위 공진기를 위치시키고 이 공진기의 저항을 보상하여 발진을 시작하고 유지시켜 주기위한 증폭기 단을 트랜지스터를 이용하여 제작하였다. 트랜지스터의 소스 단에 스터브를 달아서 게이트 단에 부성저항이 생기도록 제작하였고, 발진기의 출력은 트랜지스터의 드레인 단에 커넥터를 연결하여 스펙트럼 분석기를 통하여 측정하였다. An amplifier stage was fabricated by using a transistor to position the upper resonator in the gate portion of the oscillator and to compensate and start the oscillation by compensating the resistance of the resonator. A stub was attached to the source terminal of the transistor to produce a negative resistance at the gate terminal. The output of the oscillator was measured through a spectrum analyzer by connecting a connector to the drain terminal of the transistor.
회로의 DC 바이어스 래디얼 스터브(radial stub)와 고(high) 임피던스 라인을 이용하였고, 간단한 인터-디지털 캐패시터(inter-digital capacitor)를 출력단에 달아서 DC전압이 출력단에 직접 가해지는 것을 방지하였다.A DC bias radial stub and a high impedance line of the circuit were used, and a simple inter-digital capacitor was attached to the output to prevent direct DC voltage from being applied directly to the output.
초고주파 공학에서의 통상의 캐패시터는 칩의 형태로 이루어져 있으며, 납땜등의 공정으로 기판에 부착된다. 그러나 이러한 통상의 캐패시터의 경우 납땜 등에서 기인한 회로소자 값의 오차 등이 있을 수 있고 공정 또한 불편하다. Conventional capacitors in microwave engineering are in the form of chips and are attached to a substrate by soldering or the like. However, in the case of such a conventional capacitor, there may be an error of a circuit element value due to soldering or the like, and the process is also inconvenient.
이를 개선하기 위해 최근에 개발된 것이 도 6과 같은 모양의 평면형 인터-디지털 캐패시터이다. 이는 기존의 CPW기판에 도 6과 같은 모양의 금속 패턴을 에칭공정을 통하여 구현하게 되는데, 이 경우 캐패시턴스는 가운데 꾸불꾸불한 모양의 갭에서 전자기파가 커플링(coupling)되는 정도로 구현하게 되고, 납땜공정이 필요하지 않게 되므로 좀더 간단하고 공정오차도 줄일 수 있는 새로운 캐패시터이다( http://www.imst.de/coplan/online_manual/c_idc.html).Recently developed to improve this is a planar inter-digital capacitor of the shape as shown in FIG. This is realized through the etching process of the metal pattern of the shape as shown in Figure 6 on the existing CPW substrate, in this case, the capacitance is implemented to the extent that electromagnetic waves are coupled (coupling) in the gap of the sinuous shape, the soldering process Is a new capacitor that is simpler and can reduce process errors (http://www.imst.de/coplan/online_manual/c_idc.html).
도 7에 제작된 발진기의 출력 스펙트럼을 나타내었다. 발진주파수는 5.41 GHz이고 위상잡음은 1MHz offset에서 -115.3 dBc/Hz로 측정되었다.The output spectrum of the oscillator manufactured in FIG. 7 is shown. The oscillation frequency was 5.41 GHz and the phase noise was measured at -115.3 dBc / Hz at 1 MHz offset.
도 8에는 이러한 CCPW구조를 사용하지 않고 제작한 발진기의 출력스펙트럼을 나타내었다. 8 shows an output spectrum of an oscillator manufactured without using such a CCPW structure.
도 8에서와 같이 같은 바이어스 조건에서 1MHz 오프셋에서의 발진기의 위상 잡음은 -101.44 dBc/Hz도 측정되어 위의 CCPW구조를 발진기의 공진기로 적용하면 이 구조를 사용하지 않고 일반적인 전송선으로만 공진기를 구성할때와 비교하여 약 14 dB의 성능 향상이 있음을 알 수 있다.As shown in Fig. 8, the phase noise of the oscillator at 1 MHz offset under the same bias condition is also measured at -101.44 dBc / Hz. When the above CCPW structure is applied as the resonator of the oscillator, the resonator is composed of a general transmission line without using this structure. It can be seen that there is a performance improvement of about 14 dB compared to when.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art various modifications of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below Or it may be modified.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 발진기에서 주파수 선택의 역할을 하는 공진기 부분을 주기적인 홈이 파인 CPW구조로 대체함으로써 발진기의 위상잡음을 감소시킬 수 있게 되며, 회로 레이아웃을 위한 기판 에칭을 한번만 하면 되므로 기존의 기판의 금속판 에칭 공정 후 인덕터, 커패시터 등을 납땜 등을 통하여 집적해야 하는 LC 공진기나 또는 전송선과 인접하여 위치시킨 뒤 접착제 등을 이용하여 기판과 접착시키는 공정을 반드시 거쳐야 하는 유전체 공진기 등과 비교하였을 때 좀 더 간단한 공정으로 회로를 제작할 수 있게 된다.As described above, the present invention can reduce the phase noise of the oscillator by replacing the resonator portion, which plays a role of frequency selection in the oscillator, with a periodic grooved CPW structure. Therefore, after the metal plate etching process of the existing substrate, compared with the LC resonator that needs to integrate the inductor, capacitor, etc. through soldering, or the dielectric resonator that must be placed adjacent to the transmission line and then bonded to the substrate using an adhesive, etc. When the circuit can be produced by a simpler process.
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2006
- 2006-04-06 KR KR1020060031403A patent/KR100727888B1/en not_active IP Right Cessation
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