KR101228867B1 - 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기 - Google Patents

저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주파수 합성기에 있어서, 구체적으로는 광대역 주파수 합성에서 안정적인 위상잡음 특성을 얻을 수 있는 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기에 관한 것으로, 기준신호를 제공하는 기준신호 제공부와, 상기 기준신호로부터 생성되는 고주파대역신호를 출력하는 발진부와, 상기 발진부에서 출력되는 상기 고주파대역신호의 위상을 고정시키는 위상고정루프와, 상기 발진부에서 출력되는 상기 고주파대역신호의 출력 주파수 변화에 따라 상기 기준신호 제공부에서 제공되는 상기 기준신호의 주파수를 조절하는 제어부로 구성되며, 상기 발진부에서 출력되는 상기 고주파대역신호의 출력 주파수가 미리 정해진 기준 값 이상인 경우에, 상기 기준신호의 주파수를 상향 조절하는 것이 특징인 발명이다.

Description

저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기{frequency synthesizer having low phase noise characteristic}
본 발명은 주파수 합성기에 관한 것으로, 구체적으로는 광대역 주파수 합성에서 안정적인 위상잡음 특성을 얻을 수 있는 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기에 관한 것이다.
일반적으로 주파수 합성기는 저 위상잡음 특성과 안정된 출력 주파수를 얻기 위해 위상고정루프(Phase Locked Loop; 이하, PLL)를 구비하며, PLL에 의해 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator; 이하, VCO)는 안정적으로 고정된 주파수(또는 위상)의 신호를 발진할 수 있다.
특히, 저 위상잡음 특성을 갖는 고주파용 주파수 합성에서는 단일루프 구조로 체배기를 사용하여 고주파대역신호를 발진하거나 이중루프 또는 다중루프 구조인 업-믹싱(Up-Mixing) 혹은 다운-믹싱(Down-Mixing) 방식의 주파수 합성기를 사용한다.
단일루프 구조의 고주파용 주파수 합성기는 구조가 단순하고 용이하게 고주파대역신호를 발진할 수 있다. 그러나 고주파대역에서는 위상잡음 특성을 나타내는 20LogN에서 분주비 N이 피드백(feedback) 주파수 즉, 출력 주파수에 비례하여 N값이 커짐에 따라 위상잡음 특성이 불량해지는 단점이 있다.
또한, 업-믹싱(Up-Mixing) 혹은 다운-믹싱(Down-Mixing) 방식의 이중루프 또는 다중루프 구조의 주파수 합성기는 위상 잡음 특성에 지대한 영향을 주는 분주비 N을 전압제어발진기(VCO)의 출력 주파수에 반비례한 1/N 값으로 위상 검출기(Phase Frequency Detector: PFD)에 제공함으로써 고주파수 대역에서 저 위상잡음 특성을 실현한다. 그러나 구조가 복잡하다는 단점이 있다.
아울러 단일루프와 이중루프 방식의 공통된 단점은 협대역 주파수 합성에는 용이하나 광대역 주파수 합성에는 한계가 있다.
본 발명의 목적은 상기한 점을 감안하여 안출한 것으로, 특히 광대역 신호를 발진하는 주파수 합성에서 저 위상잡음 특성을 안정적으로 보장해주는데 적당한 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 발진되는 고주파대역신호의 출력 주파수의 크기에 따라 서로 다른 주파수를 갖는 기준신호를 제공하여 광대역 주파수 합성에서 저 위상잡음 특성을 안정적으로 보장해주는데 적당한 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기의 일 특징은, 제1기준신호를 제공하는 제1기준신호원과, 상기 제1기준신호와 다른 주파수를 갖는 제2기준신호를 제공하는 제2기준신호원과, 상기 제1기준신호와 상기 제2기준신호 중 어느 하나를 스위칭하는 스위칭부와, 상기 제1기준신호 또는 상기 제2기준신호로부터 생성되는 고주파대역신호를 출력하는 전압제어발진부와, 상기 전압제어발진부에서 출력되는 상기 고주파대역신호의 위상을 고정시키는 위상고정루프를 포함하여 이루어지는 것이다.
바람직하게, 상기 스위칭부는 상기 제1기준신호가 상기 위상고정루프로 입력되도록 스위칭하는 제1스위치와, 상기 제2기준신호가 상기 위상고정루프로 입력되도록 스위칭하는 제2스위치를 구비할 수 있다. 여기서, 상기 제1기준신호가 상기 위상고정루프에 입력되도록 상기 제1스위치가 온(on) 됨에 따라 상기 제2스위치가 오프(off)되거나, 상기 제2기준신호가 상기 위상고정루프에 입력되도록 상기 제2스위치가 온(on) 됨에 따라 상기 제1스위치가 오프(off)될 수 있다.
바람직하게, 상기 제2기준신호는 상기 제1기준신호에 비해 높은 주파수를 가질 수 있다. 여기서, 상기 고주파대역신호는 상기 제1기준신호로부터 생성되는 제1고주파대역신호와, 상기 제2기준신호로부터 생성되는 제2고주파대역신호를 포함하되, 상기 제2고주파대역신호는 상기 제1고주파대역신호에 비해 높은 주파수를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1기준신호는 수십 ㎒의 신호이고, 상기 제2기준신호는 수백 ㎒의 신호일 수 있다.
바람직하게, 상기 전압제어발진부에서 출력되는 상기 고주파대역신호의 출력 주파수의 크기에 따라 상기 스위칭부의 스위칭을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기의 다른 특징은, 기준신호를 제공하는 기준신호 제공부와, 상기 기준신호로부터 생성되는 고주파대역신호를 출력하는 발진부와, 상기 발진부에서 출력되는 상기 고주파대역신호의 위상을 고정시키는 위상고정루프와, 상기 발진부에서 출력되는 상기 고주파대역신호의 출력 주파수 변화에 따라 상기 기준신호 제공부에서 제공되는 상기 기준신호의 주파수를 조절하는 제어부로 구성되는 것이다.
바람직하게, 상기 제어부는 상기 발진부에서 출력되는 상기 고주파대역신호의 출력 주파수가 미리 정해진 기준 값 이상인 경우에, 상기 기준신호의 주파수를 상향 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 단일루프 구조를 사용하면서도 다중 기준신호를 적용함으로써 고주파대역에서의 위상잡음 특성이 우수하며 광대역 한계를 단순한 구조로써 극복할 수 있다.
본 발명의 주파수 합성기는 소형화에 용이하며 또한 저 위상잡음 특성이 우수하고 광대역에도 우수한 특성을 가지므로, 그러한 특성들이 요구되는 유도무기의 탐색기(Seeker), 무인 항공기, 레이다 등에 탑재 장비로 사용할 수 있으며, BWLL(Broadband Wireless Local Loop) 등의 무선이동통신에도 용이하게 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기의 구성을 나타낸 다이어그램.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 그 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기의 바람직한 실시 예를 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기의 구성을 나타낸 다이어그램으로, 광대역 주파수 합성을 위한 구성이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 주파수 합성기는 기준신호 제공부(10), 위상고정루프(20), 루프필터(30), 발진부(40), 디바이더(Divider), 그리고 제어부(60)로 구성된다.
기준신호 제공부(10)는 기준신호를 제공하는 구성으로, 발진부(40)에서 출력되는 고주파대역신호의 출력 주파수 변화에 따라 서로 다른 주파수를 갖는 기준신호를 제공한다. 그를 위해, 기준신호 제공부(10)는 제1기준신호(REF1)를 제공하는 제1기준신호원(11)과, 제1기준신호(REF1)와 다른 주파수를 갖는 제2기준신호(REF2)를 제공하는 제2기준신호원(12)과, 제1기준신호와 제2기준신호 중 어느 하나를 스위칭하는 스위칭부(13,14)를 구비한다.
제2기준신호(REF2)는 제1기준신호(REF1)에 비해 높은 주파수를 갖는 것이 바람직하다. 일 예로써, 제1기준신호원(11)은 수십 ㎒의 제1기준신호(REF1)를 발진하고, 제2기준신호원(12)은 수백 ㎒의 제2기준신호(REF2)을 발진한다. 다른 예로써, 제1기준신호원(11)은 10㎒의 제1기준신호(REF1)를 발진하고, 제2기준신호원(12)은 100㎒의 제2기준신호(REF2)을 발진한다.
스위칭부(13,14)는 제1스위치(13)과 제2스위치(14)로 구성된다. 제1스위치(13)는 제1기준신호가 위상고정루프(PLL)(20)로 입력되도록 스위칭하며, 제2스위치(14)는 제2기준신호가 위상고정루프(PLL)(20)로 입력되도록 스위칭한다. 즉, 제어부(60)의 제어에 따라, 제1기준신호가 위상고정루프(20)에 입력되도록 제1스위치(13)가 온(on)됨에 따라 제2스위치(14)는 오프(off)되거나, 제2기준신호가 위상고정루프(20)에 입력되도록 제2스위치(14)가 온(on) 됨에 따라 제1스위치(13)가 오프(off)된다.
제어부(60)는 발진부(40)에서 출력되는 고주파대역신호의 출력 주파수 변화에 따라 기준신호 제공부(10)에서 제공되는 기준신호의 주파수를 조절하는데, 일 예로써 제어부(60)는 발진부(40)에서 출력되는 고주파대역신호의 출력 주파수가 미리 정해진 기준 값 이상인 경우에, 기준신호의 주파수를 상향 조절한다.
특히, 제어부(60)는 발진부(40)에서 출력되는 고주파대역신호의 출력 주파수의 크기에 따라 스위칭부(13,14)의 스위칭을 제어하여 기준신호의 주파수를 조절하는데, 제어부(60)는 발진부(40)에서 출력되는 고주파대역신호의 출력 주파수가 특정 고주파수 대역을 넘어서면, 제1스위치(13)와 제2스위치(14)를 스위칭하여 기준신호의 주파수를 조절한다.
기준신호의 주파수를 제어하기 위한 제어부(60)의 일 예는 다음과 같다.
발진부(40)에서 출력되는 고주파대역신호의 출력 주파수가 A인 경우에, 제어부(60)는 제1기준신호가 위상고정루프(20)에 입력되도록 제1스위치(13)를 온(on)시키고, 제1스위치(13)가 온(on) 됨에 따라 제2스위치(14)를 오프(off)시킨다. 또는 발진부(40)에서 출력되는 고주파대역신호의 출력 주파수가 B(B>A)인 경우에, 제어부(60)는 제2기준신호가 위상고정루프(20)에 입력되도록 제2스위치(14)를 온(on)시키고, 제2스위치(14)가 온(on) 됨에 따라 제1스위치(13)를 오프(off)시킨다.
한편, 제1스위치(13)의 오프단(off-end)과 제2스위치(14)의 오프단에는 저항 R을 구비하여, 제1스위치(13) 또는 제2스위치(14)의 오프 시에 해당 기준신호가 위상고정루프(20)에 입력되지 않도록 차단한다. 일 예로써, 저항 R은 50Ω일 수 있다.
한편, 서로 다른 주파수를 갖는 기준신호들로부터 각각 생성되는 고주파대역신호는 제1기준신호로부터 생성되는 제1고주파대역신호와 제2기준신호로부터 생성되는 제2고주파대역신호로 이루어지며, 특히 제2고주파대역신호는 제1고주파대역신호에 비해 높은 주파수를 갖는다. 일 예로써, 제1고주파대역신호의 출력 주파수 A는 3~4㎓일 수 있으며, 제1고주파대역신호의 출력 주파수는 4~5㎓일 수 있다.
위상고정루프(PLL)(20)은 제1분주부(21), 위상검출부(Phase Frequency Detector: PFD)(22), 그리고 제2분주부(23)로 구성되어, 발진부(40)에서 출력되어 피드백되는 고주파대역신호의 위상을 고정시킨다.
제2분주부(23)는 입력된 고주파대역신호를 소정 분주비(N)에 따라 분주한다. 제2분주부(23)에서 분주된 신호는 제1기준신호 또는 제2기준신호와 함께 위상검출부(22)에 입력된다. 특히, 위상검출기(22)는 제1분주부(21)에서 기준 카운터인 R 카운터로 제1기준신호 또는 제2기준신호를 분주한 신호와 제2분주부(23)에서 분주비 N으로 고주파대역신호를 분주한 신호의 위상을 비교한다.
위상고정루프(20)은 피드백되는 고주파대역신호가 제1기준신호 또는 제2기준신호와 일치할 때까지 반복적인 위상 비교를 통해 위상을 고정시킨다.
루프필터(Loop Filter: LF)(30)는 저대역통과필터(Low Pass Filter: LPF)로 구현될 수 있으며, 스퓨리어스 성분을 제거한다. 또한, 루프필터(30)는 병렬로 배치된 캐패시터(capacitor)에 전하를 축적하고 방출하면서 발진부(40)의 입력전압을 가변한다.
발진부(40)는 제1기준신호 또는 제2기준신호로부터 생성되는 고주파대역신호를 출력한다. 발진부(40)는 제1기준신호 또는 제2기준신호로부터 생성되는 고주파대역신호를 출력하는 전압제어발진기(VCO)를 구비한다.
디바이더(50)는 발진부(40)에서 출력되는 고주파대역신호를 분배하여 출력한다. 디바이더(50)의 일 출력단은 주파수 합성기에서 증폭과 필터링을 거치는 최종 출력단에 연결되며, 타 출력단은 위상고정루프(20)로의 피드백(70)에 연결된다. 따라서, 디바이더(50)에 의해 분배된 고주파대역신호는 피드백(70)을 통해 위상고정루프(20)의 제2분주부(23)로 입력된다.
본 발명의 일 예로써, 10㎒의 제1기준신호는 전압제어발진기(VCO)의 출력 주파수가 3~4㎓까지 사용하고, 100㎒의 제2기준신호는 전압제어발진기(VCO)의 출력 주파수가 4~5㎓까지 사용한다.
본 발명의 주파수 합성기는 서로 다른 주파수를 갖는 다중 기준신호를 사용하고, 위상잡음 특성에 지대한 영향을 주는 분주비 N을 전압제어발진기(VCO)의 출력 주파수에 반비례한 1/N 값으로 위상 검출부(PFD)에 제공함으로써 고주파수 대역에서 저 위상잡음 특성을 갖는다. 그에 따라 광대역에서의 위상잡음 특성 불량을 해결할 수 있다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다.
그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시 예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 기준신호 제공부 11: 제1기준신호원
12: 제2기준신호원 13: 제1스위치
14: 제2스위치 20: 위상고정루프
21: 제1분주부 22: 위상검출부
23: 제2분주부 30: 루프필터
40: 발진부 50: 디바이더
60: 제어부 70: 피드백

Claims (10)

  1. 제1기준신호를 제공하는 제1기준신호원;
    상기 제1기준신호에 비해 높은 주파수를 갖는 제2기준신호를 제공하는 제2기준신호원;
    상기 제1기준신호와 상기 제2기준신호 중 어느 하나를 스위칭하는 스위칭부;
    상기 제1기준신호 또는 상기 제2기준신호로부터 생성되는 고주파대역신호를 출력하는 전압제어발진부;
    상기 전압제어발진부에서 출력되는 상기 고주파대역신호의 위상을 고정시키는 위상고정루프;
    상기 전압제어발진부에서 출력되는 상기 고주파대역신호의 출력 주파수의 크기에 따라 상기 스위칭부의 스위칭을 제어하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스위칭부는,
    상기 제1기준신호가 상기 위상고정루프로 입력되도록 스위칭하는 제1스위치와,
    상기 제2기준신호가 상기 위상고정루프로 입력되도록 스위칭하는 제2스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1기준신호가 상기 위상고정루프에 입력되도록 상기 제1스위치가 온(on) 됨에 따라 상기 제2스위치가 오프(off)되거나,
    상기 제2기준신호가 상기 위상고정루프에 입력되도록 상기 제2스위치가 온(on) 됨에 따라 상기 제1스위치가 오프(off)되는 것을 특징으로 하는 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 고주파대역신호는,
    상기 제1기준신호로부터 생성되는 제1고주파대역신호와, 상기 제2기준신호로부터 생성되는 제2고주파대역신호를 포함하되,
    상기 제2고주파대역신호는 상기 제1고주파대역신호에 비해 높은 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1기준신호는 수십 ㎒의 신호이고, 상기 제2기준신호는 수백 ㎒의 신호인 것을 특징으로 하는 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 전압제어발진부에서 출력되는 상기 고주파대역신호의 출력 주파수가 미리 정해진 기준 값 이상인 경우에, 상기 제1스위치를 오프(off)시키고 상기 제2스위치를 온(on) 되게 상기 스위칭부의 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 하는 저 위상잡음 특성을 갖는 주파수 합성기.
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