KR20020061200A

KR20020061200A - 비방사 유전체 도파관을 이용한 국부발진기

Info

Publication number: KR20020061200A
Application number: KR1020010002117A
Authority: KR
Inventors: 김영수; 유영근
Original assignee: 엔알디 주식회사
Priority date: 2001-01-15
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2002-07-24
Also published as: US6545552B2; US20020093386A1

Abstract

본 발명은 NRD 가이드를 응용한 밀리미터파 대의 국부발진기의 개선된 구조를 제안한다. 국부발진기는 밀리미터 발진소자인 건 다이오드를 평행평판 하우징의 바닥면에 직접 장착하여 건 다이오드가 발진동작시 발생시킨 열을 평행평판 하우징에 직접 전달하여 신속하게 발산할 수 있는 구조를 가지므로, 발진 전력 및 주파수의 안정화와 다이오드 마운트의 불채용에 따른 원가절감과 양산효율의 증대를 도모할 수 있다. 마이크로스트립 공진기보다 상대적으로 제작이 용이하고 주파수 안정도 및 전력 전달 면에서 더 우수한 특성을 갖고 조립이 간편한 금속 로드 공진기를 공진소자로서 채용하고, 이를 고정블록에 삽입 장착하여 NRD 가이드와 수직되게 하고 그 단부를 건 다이오드의 애노우드와 직접 접촉되도록 조립한다. 캐비티형성부재를 발진신호를 생성하는 건 다이오드를 중심으로 주요 구성부를 에워싸는 캐비티를 형성하도록 평행평판 하우징에 내장하여, 국부발진기 모듈의 보호는 물론, 건 다이오드의 발진 전력과 주파수가 캐비티 조건을 만족하는 주파수대에서 안정되도록 한다.

Description

비방사 유전체 도파관을 이용한 국부발진기 {Local Oscillator Using Non-Radiative Dielectric Waveguide}

본 발명은 밀리미터파 대의 국부발진기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비방사 유전체 도파관(Non-Radiative Dielectric Waveguide: 이하 'NRD 가이드'라 함) 기술을 응용한 밀리미터파 대의 국부발진기에 관한 것이다.

NRD 가이드 회로는 마이크로스트립 선로에 비하여 전송손실이 낮고, 또한 기존 도파관에 비하여 전송로의 제작이 용이한 점에서 마이크로파, 특히 30 GHz 이상의 밀리미터파 대의 전송선로로 주목을 받고 있다. 이 NRD 가이드 회로는 전자파가 전송되는 유전체 선로를 도전성 금속으로 된 2장의 평행 평판 사이에 끼운 구조를 갖고, 이 평행평판의 대면(對面) 간격은 사용 주파수의 자유공간 파장의 1/2 이하로 설정된다. 따라서, 이 유전체 선로 이외의 장소에서는 전자파가 차단되어 그 방사가 억제되기 때문에 유전체 선로를 따라 전자파를 저손실로 전송할 수 있다. NRD 가이드 회로의 이와 같은 전송특성의 우수성에 주목하여 건 다이오드(Gunn Diode)를 NRD 가이드 회로와 조합하여 구성한 35 GHz 대 및 60 GHz대의 국부발진기가 제안된 바 있다.

도 1 내지 도 3은 종래의 밀리미터파 대의 국부발진기의 구조를 보여준다. 이것은 상하 도체판(11a, 11b)으로 구성된 평행 평판(201, 202) 사이의 공간에 NRD 가이드(8)를 출력단부 즉, 안테나부(10)가 외부로 노출되게 삽입 배치함과 동시에 건 다이오드(1)와 바이어스 쵸크(22)를 탑재한 다이오드 마운트(21)를 NRD 가이드(8)의 입력단부 근처에 나란히 배치하고, NRD 가이드(8)에서 LSM 모드를 형성하기 위해 NRD 가이드(8)의 입력단부에 마이크로스트립 공진기(Microstrip Resonator)(23)를 NRD 가이드(8)의 진행방향에 횡 방향으로 결합하여 건 다이오드(1)의 애노우드로 연장되도록 배치하고, 모드 서프레서(4)를 마이크로스트립 공진기(23)와 수직되게 NRD 가이드 (8)의 입력단부에 내장시켜 고정용 블록(18)으로 고정시킨 구조를 갖는다. 건 다이오드(1)에서 발진한 고주파출력은 공진기(23)를 경유하여 NRD 가이드(8)를 통해 도출된다.

종래의 국부 발진기는 발진소자인 건 다이오드(1)의 장착과 바이어스 쵸크를 설치하기 위해 다이오드 마운트(21)라는 구조물을 특별히 채용한다. 다이오드 마운트(21)는 건 다이오드(1)를 장착하기 위해 측면에 나사산이 형성된 원통형 공동(24)을 가공해야 한다. 뿐만 아니라 다이오드 마운트(21)는 상하부 도체판(11a, 11b) 사이의 공간에 삽입 장착되는데, 이 때 다이오드 마운트(21)와 상하부 도체판(11a, 11b)간의 불안한 접촉으로 인한 미세한 결합공극이 생기는데, 이 미세 공극은 파장이 매우 짧은 밀리미터파대에서 커패시턴스(Capacitance)로 작용하고, 이로 인해 고조파 발진 및 접지불량의 문제가 발생된다. 특히, 누설파를 차단하기 위해 다이오드 마운트(21)의 상부면에는 λ/4 크기의 폭과 적당한 깊이를 갖는 다수개의 홈(25)을 형성할 필요가 있어 그 구조가 복잡하게 된다. 이와 같은 다이오드 마운트(21)를 채용하는 것은 양산시 제작단가의 상승을 초래한다. 나아가 상하부 도체판(11a, 11b)은 이 다이오드 마운트(21)를 고정하기 위한 홈이 필요하며, 따라서 구조적으로 복잡해진다는 단점이 있다.

국부발진기의 중요한 성능지수인 발진효율에 큰 영향을 미치는 것은 방열문제이다. 건 다이오드(1)는 발진시 열이 많이 발생하고, 발생된 열을 효과적으로 발열시키지 않으면 발진 전력과 주파수가 불안정해진다. 이러한 점을 고려하여 다이오드 마운트(21)는 열 전도성이 뛰어난 동을 주로 사용한다. 건 다이오드(1)에서발생한 열은 히트싱크(Heat Sink)로 기능하는 상하부 도체판(11a, 11b)에 전달되어 냉각된다. 그런데, 종래의 국부발진기는 건 다이오드(1)의 동작시 발생하는 열이 직접 상하부 도체판(11a, 11b)에 전달될 수 있는 것이 아니라 다이오드 마운트(21)를 거쳐 상하부 도체판(11a, 11b)에 전달되는 구조이므로, 열의 신속한 발산이 어렵다. 장시간의 동작시 충분히 식혀지지 않은 열은 건 다이오드로 귀환(Feedback) 되어 계속 뜨거워지며, 건 다이오드(1)의 온도가 올라가게 되고 이로 인해 건 다이오드(1)는 정상적인 동작상태에서 벗어나 원하지 않는 발진 전력과 주파수를 출력하여 시스템에 치명적인 결과를 초래할 수 있다.

한편, 건 다이오드(1)는 다이오드 마운트(21)에 부착된 바이어스 쵸크(Bias Choke)(22)를 통해 직류 바이어스(DC Bias)를 공급받으며, 그 발진 신호는 마이크로스트립 공진기(Microstrip Resonator)(23)를 통해 NRD 가이드(8)로 인가되어 전송된다. 발진 전력과 주파수는 이 마이크로스트립(23b)의 길이와 폭으로 조절될 수 있으며, 특히 길이가 짧을수록 발진 주파수는 높아지게 되며 발진 전력은 반대로 낮아지는 게 보통이다. 그런데, 마이크로스트립(23b)은 유전체 기판(23a) 위에 에칭으로 제작되는 도체 박막으로서, 이 또한 양산시 원가상승의 한 요인으로 작용한다.

나아가 마이크로스트립 공진기(23)는 마이크로스트립(23b)의 센터를 건 다이오드(1)의 애노우드에 정확하게 정렬하여야 하고, 마이크로스트립(23b)과 건 다이오드(1)의 애노우드 간의 간극은 또 다른 주파수 튜닝요소 중의 하나이다. 따라서, 원하는 발진 전력과 주파수를 얻기 위해서는 정확한 정렬과 간극 유지를 보장할 수있어야 하는데 이를 위한 조립작업은 현실적으로는 매우 어려워 작업의 효율성이 낮다.

종래의 국부발진기는 앞서 언급한 바와 같이 발진신호의 전력 및 주파수 튜닝요소로서 마이크로스트립 공진기(23)의 길이나 마이크로스트립(23b)과 건 다이오드(1)의 애노우드 간의 간극을 활용하나 경우에 따라서는 이들 주파수 튜닝요소만으로는 부족한 경우가 있다.

상기와 같은 문제점을 개선하기 위해, 본 발명의 제1의 목적은 건 다이오드를 평행평판의 도체판에 직접 장착할 수 있는 구조로 설계하여 건 다이오드에서 발생되는 열을 신속하게 발산할 수 있도록 함으로써 안정적인 발진동작을 보장하고, 다이오드 마운트의 불채용에 따른 원가절감과 양산효율의 증대를 도모할 수 있는 구조를 갖는 국부발진기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2의 목적은 건 다이오드의 조립방식의 변화에 조화시키기 위해, 마이크로스트립 공진기보다 상대적으로 제작이 용이하고 전력 및 주파수 안정도면에서 더 우수한 특성을 갖는 금속 로드 공진기(Metal Rod Resonator)를 사용하고, 나아가 주파수 튜닝 및 소자보호를 위한 캐비티형성부재를 새로 도입하여 개선된 발진특성을 갖는 국부발진기를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 아래와 같다.

도 1은 종래의 국부발진기의 구조를 나타내는 사시도이다.

도 2는 종래의 국부발진기에서 마이크로스트립(Microstrip) 공진기의 NRD 가이드 결합방법을 설명하기 위한 사시도이다.

도 3은 종래의 국부발진기에서 건 다이오드 장착을 위한 다이오드 마운트의 구조를 도시한 사시도이다.

도 4와 도 5는 각각 본 발명에 따른 밀리미터파 대의 국부발진기(Local Oscillator)의 구조를 도시한 평면도와 사시도이다.

도 6은 도 5의 캐비티 형성부재(106, 107)를 제거한 "A" 부분의 절개 사시도이다.

도 7과 도 8은 각각 도 6의 좌측면도와 정면도이다.

도 9는 금속 로드 공진기(Metal Rod Resonator)의 결합방법 및 모드 서프레서(Mode Suppressor)의 장착 모습을 나타낸 사시도이다.

도 10은 모드 서프레서(Mode Suppressor)의 구조를 나타낸 사시도이다.

도 11은 금속 로드 공진기(Metal Rod Resonator)의 NRD 고정용 블록에의 장착방법을 나타낸 사시도이다.

도 12는 바이어스 쵸크(Bias Choke)의 구조를 도시한 사시도이다.

도 13은 LSM 모드의 인가방법을 설명하기 위한 건 다이오드(Gunn Diode), 로드 공진기(Rod Resonator), 모드 서프레서 및 NRD 가이드의 배치관계를 도시한 사시도이다.

도 14는 도 13의 좌측면도이다.

도 15는 NRD 블록을 바닥면에 고정하기 위한 홈 및 결합방법을 나타내는 절개 사시도이다.

도 16은 캐비티 형성부재가 장착된 부분의 평면도이다.

도 17은 캐비티 형성부재가 장착된 부분의 투시 평면도이다.

도 18은 도 16의 좌측면도이다.

도 19는 도 16의 사시도이다.

도 20은 캐비티 형성부재의 바닥면의 구조를 도시한 사시도이다.

도 21은 DUT 온도변화에 따른 발진 전력 및 주파수의 변화를 측정한 그래프이다.

도 22는 열충격 실험을 통한 발진 주파수의 변화를 측정한 그래프이다.

도 23은 대기환경 조건을 감안한 국부발진기의 온도 테스트를 위한 셋업 구성도이다.

도 24는 도 23의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 25는 밀리미터파대 국부발진기의 발진 전력 및 주파수를 측정한 그래프이다.

도 26은 국부발진 출력주파수의 푸싱지수(Pushing Figure)를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 27은 바이어스 인가직후 2시간 동안의 발진 주파수의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 28은 밀리미터파대 국부발진기의 PDT(Post Tuning Drift)를 측정한 그래프이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

21 : 다이오드 마운트(Diode Mount)

22 : 바이어스 쵸크(Bias Choke)

23 : 마이크로스트립(Microstrip) 공진기

24 : 건 다이오드 고정용 나사 홈

25 : 다이오드 마운트(Diode Mount) 누설파 차단용 λ/4 홈

101 : 건 다이오드(Gunn Diode)

102 : 금속 로드 공진기(Metal Rod Resonator)

103 : 고정블록

104 : 모드 서프레서(Mode Suppressor)

105 : 장착홈

106, 107 : 캐비티 형성부재

108 : NRD 가이드

109 : 바이어스공급로(Feed Through)

110 : NRD 로드 안테나(Rod Antenna)

111a, 111b : 평행평판 하우징

112 : 누설파 차단용 λ/4 홈

113 : 바이어스전원 공급단자

114 : 접지핀(Ground Pin)

115 : 바이어스쵸크(Bias Choke)

116a', 116b', 116c', 116d': 캐비티 형성부재 고정용 결합공

117 : 바이어스 공급용 와이어

118 : 고정블록

119 : 바이어스쵸크 기판

120 : 바이어스쵸크 기판 통과용 홈

124a, 124b, 124c, 124d: 주파수 튜닝용 나사

124a', 124b', 124c', 124d': 결합공

126a', 126b', 126c', 126d': 결합나사

본 발명에 따르면, 바이어스 전압을 입력받아 밀리미터파 대의 발진신호를 출력하는 건 다이오드와, 상기 발진신호를 그 전력과 주파수를 조절하여 전달하기위한 공진부재와, 입력단부로 인입되는 발진신호를 출력단부로 전달하여 밀리미터파 대의 발진신호를 출력하는 NRD 가이드와, 상기 NRD 가이드의 상기 입력단부에 내삽되어 상기 공진부재가 전달하는 발진신호의 LSM 모드는 통과를 허용하되 LSE 모드는 통과를 억제하는 LSE 모드 서프레서를 상부 및 하부 도체판으로 된 평행평판 하우징 사이에 실장한 구조를 갖는 국부발진기에 있어서, 상기 건 다이오드는 상기 하부 도체판의 바닥에 형성된 제1 결합공에 애노우드가 노출되게 수직 장착되어 상기 건 다이오드에서 발생되는 열이 상기 하부 도체판에 직접 전달되는 구조로 된 것을 특징으로 하는 국부발진기가 제공된다.

국부발진기의 각 구성요소들의 구조나 실장형태도 건 다이오드의 위와 같은 설치방식과 조화를 이룰 필요가 있다. 구체적으로, 상기 건 다이오드는 상기 제1 결합공에 나사 결합방식으로 고정된다. 상기 공진부재는 상기 NRD 가이드의 입력단부에 연하여 장착되고 일측면에 제2 결합공이 형성된 고정블록과, 상기 고정블록의 제2 결합공에 일단부가 노출되도록 삽입되어 상기 NRD 가이드의 길이방향과 수직을 이루며 노출단부가 상기 건 다이오드의 애노우드와 직접 접촉되는 금속 로드 공진기를 갖는다. 그리고, 상기 고정블록은 상기 하부 도체판에 형성된 장착홈에 압설된다. 상기 금속 로드 공진기의 단부와 상기 건 다이오드의 애노우드는 납땜(Soldering)에 의해 직접 결합되는 것이 바람직하다. 상기 평행평판 하우징의 외곽둘레에는 누설파 차단을 위한 홈이 형성된다.

본 발명의 국부발진기는 바이어스공급로로부터 제공되는 바이어스 전원의 고조파를 차단하여 직류 바이어스를 상기 건 다이오드로 공급하는 바이어스 쵸크를더 가지며, 상기 바이어스 쵸크는 유전체 기판 상에 적층된 동박(銅箔)을 마이크로스트립 형태로 에칭하여 만들어지며, 상기 하부 도체판 위에 평행하게 놓여지고 상기 바이어스공급로와 상기 건 다이오드와는 각각 와이어를 통해 연결된다.

또한, 국부발진기는 상기 발진신호의 전력 및 주파수의 안정화를 위해, 상기 평행평판 하우징 안에 장착되어 상기 NRD 가이드가 통과하는 개구가 마련되고 상기 건 다이오드, 상기 공진부재, 상기 모드 서프레서가 내포된 상기 NRD 가이드의 입력단부를 포위하는 캐비티를 정의하는 캐비티형성부재를 더 갖는다. 상기 캐비티형성부재는 그 바닥면에 상기 바이어스쵸크 통과용 홈이 형성되어 상기 바이어스 쵸크는 상기 하부 도체판과 상기 홈에 의해 정의되는 공간 안에 위치된다. 상기 캐비티형성부재는 그 바닥면의 길이방향으로 상기 평행평판의 누설파 차단용 λ/4 홈이 형성된다. 또한, 상기 캐비티형성부재와 상기 하부도체판은 서로 대응되는 위치에 형성된 다수개의 나사홈에 주파수 튜닝용 나사를 삽입하여 결합된다.

이와 같은 구조의 국부발진기에 따르면, 다이오드 마운트를 채용할 필요가 없으므로 평행평판 하우징과의 공극에 의한 고조파 발진을 원천적으로 차단할 수 있으며, 국부발진기의 양산시 가공 및 조립에 드는 시간과 비용을 대폭 줄일 수 있다. 나아가, 건 다이오드가 발생한 열을 평행평판 하우징에 직접 전달하여 신속한 열 발산을 도모할 수 있으므로 건 다이오드의 정상적인 동작을 유도하여 발진 전력과 주파수의 안정화를 도모할 수 있어 국부발진기 모듈, 나아가 이를 채용한 통신 시스템이 요구하는 안정적인 밀리미터파 대의 캐리어(Carrier) 신호를 공급할 수 있다. 건 다이오드를 평행평판 하우징의 바닥 도체면에 수직으로 결합하므로 바닥면 밑에서 필요에 따라 주파수 튜닝도 가능하다.

본 발명의 다른 특징과 잇점은 아래의 상세한 설명과 본 발명의 다양한 실시예의 특징을 예시하는 첨부하는 도면을 참조하면 보다 명확해질 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 밀리미터파 국부발진기의 구조는 도 4 내지 도 8에 개략적으로 도시되어 있다. 도 4와 도 5는 각각 본 발명에 따른 밀리미터파 대의 국부발진기(Local Oscillator)의 구조를 도시한 평면도와 사시도이다. 도 6은 도 5의 캐비티 형성부재(106, 107)를 제거한 "A" 부분의 절개 사시도이고, 도 7과 도 8은 각각 도 6의 좌측면도와 정면도이다.

본 발명에 따른 국부발진기는 직류 바이어스전압을 입력받아 밀리미터파 발진신호를 출력하는 건 다이오드(101), 건 다이오드(101)에 바이어스(Bias)를 공급하기 위한 바이어스 쵸크(Bias Choke)(115), 건 다이오드(101)의 발진신호의 전력과 주파수를 조정하는 금속 로드 공진기(Metal Rod Resonator)(102), 금속 로드 공진기(102)의 지지와 발진 전력 및 주파수 튜닝을 위한 고정블록(103), LSE 모드 차단용 모드 서프레서(104), NRD 가이드(108) 및 캐비티형성부재(Cavity)(106, 107) 등을 포함한다.

이들 각 구성부는 서로 대면하면서 평행하게 배치되는 상부도체판(111b) 및 하부도체판(111a)으로 된 평행평판 하우징 내부공간에 배치된다. 상부도체판(111b)과 하부도체판(111a)은 네 모통이에 결합공을 형성하여 결합나사(126a', 126b',126c', 126d')로 조립되며 누설파 차단을 위해 외곽을 따라 홈(112)이 형성된다. 그리고 하부도체판(111a)의 측면에는 접지핀(114)과 외부로부터 바이어스 전원이 인입되는 바이어스전원 공급단자(113)가 각각 배치된다. NRD 가이드 (108)는 NRD 로드 안테나로 기능하는 출력단부(110)가 평행평판 하우징(111a, 111b) 밖으로 노출되도록 배치한다. NRD 가이드(108)의 입력단부에는 고정블록(118)을 이용하여 모드 서프레서(Mode Suppressor)(104)가 길이방향으로 내삽된다(도 9 및 도 10 참조).

건 다이오드(101)는 히트싱크로 작용하는 하부 도체판(111a)의 바닥에 수직으로 매설하여 건 다이오드(101)에서 발생되는 열이 하부 도체판(111a)에 직접 전달되도록 실장된다. 바닥에 직접 장착하기 위해 하부 도체판(111a)에는 결합공(122)이 형성되고(도 15 참조), 건 다이오드(101)는 결합공(122)에 수직으로 매설된다. 보다 타이트하게 결합하기 위하여 결합공(122)의 내면과 건 다이오드(101)의 외면에 나사산을 가공하여 나사결합을 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 건 다이오드(101)는 평행평판 하우징(111a, 111b)의 바닥면에 스크류(Screw)로 직접 장착되므로, 종래의 국부발진기에서 건 다이오드 장착을 위해 필요한 다이오드 마운트(21)를 필요치 않는다. 또한 건 다이오드(101)를 바닥면에 직접 장착함으로써, 건 다이오드(101) 동작시 발생하는 많은 열을 평행평판 하우징(111a, 111b)에서 신속히 흡수하여 발산시킬 수 있으므로 발생한 열이 건 다이오드(101)에 귀환(Feedback)되어 출력을 변화시키는 것을 방지할 수 있다. 따라서 건 다이오드(101)의 정상적인 동작을 도와 밀리미터파 대의 안정적인 신호원을 얻을 수 있다. 나아가, 국부발진기의 양산시 도 1에 도시된 다이오드 마운트(21)의 가공과 이를 장착하기 위한 평행평판 하우징의 홈(Pocket) 가공 등이 필요 없으므로 양산에 적합한 모델로의 적용이 가능하다.

금속 로드 공진기(102)는 소정의 길이를 갖는 봉형 금속 막대로서 고정블록(103)에 금속 로드 공진기(102)의 직경에 맞게 알맞은 깊이로 홈을 내어 삽입하되 그 일측단부는 노출되도록 하고(도 11 참조), 고정블록(103)은 하부 도체판(111a) 바닥의 결합공(122) 근처에 형성된 장착홈(105)에 조립되어(도 15 참조) NRD 가이드(108)의 입력단부면과 연하여 배치된다(도 9 및 도 13 참조). 그 결과, 금속 로드 공진기(102)는 LSM 모드의 형성을 위해 NRD 가이드(108)의 길이방향과 수직을 이루며, 금속 로드 공진기(102)의 노출단부는 건 다이오드(101)의 애노우드와 접속된다. 금속 로드 공진기(102)와 건 다이오드(101)는 직접 접촉되도록 하는 것이 바람직하며, 예컨대 이들 양자를 납땜으로 고정시키는 것도 하나의 방법이다(도 13 및 도 14 참조).

밀리미터파 대에서는 파장이 매우 짧아 발진 전력 및 주파수는 모든 기구물의 치수(Dimension)에 매우 민감한 영향을 받으며, 발진 전력과 주파수의 안정을 어렵게 만든다. 또한 이로 인해 발진 전력 및 주파수의 튜닝이 가능한 이유이기도 하다. 건 다이오드(101)에서 발진된 신호의 전력과 주파수는 금속 로드 공진기(102)의 길이나 고정블록(103)에 삽입되는 깊이에 따라 어느 정도 변한다. 예컨대, 금속 로드 공진기(102)의 길이를 짧게 하면 발진 주파수는 높아지는 반면 발진 전력은 다소 떨어지는 특성이 있는데, 이와 같은 특성은 국부발진기에서 발생한 신호의 전력 및 주파수 튜닝에 응용될 수 있다.

또한 금속 로드 공진기(102)를 지지하는 고정블록(103)의 길이로 발진 출력 및 주파수의 튜닝이 가능하다. 본 발명의 금속 로드 공진기(102)와 고정블록(103)은 구조가 간단하여 가공성이 우수하며 원하는 발진 신호를 얻기 위한 설계변경도 용이한 장점이 있다. 나아가, 장착홈(105)은 국부발진기 조립시의 정확도를 향상시켜주며, 전력 및 주파수 튜닝시에도 장착홈(105)을 따라 튜닝 함으로써 튜닝의 정확도를 높일 수 있다.

도 12는 바이어스공급로(109)를 통해 공급되는 바이어스 전류를 입력받아 고조파를 차단하여 건 다이오드(101)에 직류 바이어스(DC Bias)가 공급되도록 하는 바이어스 쵸크(Bias Choke)(115)를 도시한다. 안정적인 DC의 공급과 건 다이오드(101)에서의 발진 신호의 일부가 바이어스(Bias) 선으로 되돌아오는 것을 방지하기 위한 RF 쵸크(Choke)로 설계되었다. 이는 유전체 기판(119) 상에 적층된 동박(銅箔)을 에칭으로 패터닝하여 마이크로스트립 형태로 만든다. 조립시, 바이어스 쵸크(115)는 하부 도체판(111a) 위에 평행하게 놓여지되 바이어스공급로(feed through)(109)와 건 다이오드(101) 사이에 배치되어 이들 양자와는 각각 바이어스공급용 와이어(117)를 통해 연결된다 (도 6, 도 7 참조). 바이어스공급로(109)는 외부로부터 바이어스 전원을 입력받는 바이어스전원 공급단자(113)에 전기적으로 연결된다.

도 9와 도 10은 LSE 모드 서프레서(104)의 구조와 설치방법을 보여준다. 모드 서프레서(104)는 금속 로드 공진기(Metal Rod Resonator)(102)를 통해 건 다이오드(101) 발진 출력을 NRD 가이드(108)에 인가할 때 발생하는 LSE 모드의 억제해주기 위해 채용된다. 모드 서프레서(104)는 스텝 임피던스 구조의 저역통과필터 패턴으로 형성되어, NRD 가이드(108)의 중앙 자계면에 삽입되어 LSM 모드의 통과는 허용하고 LSE 모드의 통과는 억제하여 LSE 모드의 생성으로 인한 손실을 줄일 수 있게 해준다. LSM 모드는 전계의 방향이 NRD 가이드(108)의 중앙에서 상하 도체판과 평행이므로 선로의 중앙 자계면(전계 수직면)에 도체판을 삽입하여도 영향이 없으며, 다만 LSE 모드의 전계 성분은 도체판과의 경계조건으로 소멸된다. 삽입된 도체판의 지지 및 선로형성을 위해 모드 서프레서(Mode Suppressor) 고정 블록(118)을 부착한다.

한편, 국부발진기는 발진신호의 출력 전력 및 주파수의 안정화를 위해 캐비티형성부재(106, 107)를 더 갖는 것이 바람직하다. 캐비티형성부재(106, 107)는 'λ'자 형태의 금속 플레이트 두 개로 구성되고, 이들 두 금속 플레이트(106, 107)와 하부도체판(111a)에는 서로 대응되는 위치에 각각 결합공(124a', 124b', 124c', 124d')과 결합공(116a', 116b', 116c', 116d')을 형성하여 주파수 튜닝용 나사(124a, 124b, 124c, 124d)로 결합한다. 캐비티형성부재(106, 107)는 평행평판 하우징(111a, 111b) 사이에 장착되어 건 다이오드(101), 공진부재(102, 103), 모드 서프레서(104)가 내포된 NRD 가이드(108)의 입력단부를 포위하는 캐비티를 형성하도록 하부도체판(111b)에 고정되고, 상기 캐비티에는 개구가 마련되어 NRD 가이드(108)가 상기 개구를 통과하여 설치된다 (도 4와 도 5를 참조). 또한 외부에서 캐비티형성부재(Cavity)로 바이어스(Bias)를 공급하기 위한 바이어스 쵸크기판(119)의 통과를 위해, 하나의 캐비티형성부재(107)의 바닥면에 바이어스쵸크 통과용 홈(120)이 형성된다. 또한, 평행평판 하우징(111a, 111b)과의 결합시 미세한 공극(Gap)을 따라 흐르는 누설파를 차단하기 위해 캐비티형성부재(106, 107)의 바닥면에는 누설파 차단용 λ/4홈(112)을 가공하여 누설파로 인한 손실을 최소화하였다 (도 20 참조). 이와 같이, 발진신호를 생성하는 건 다이오드(101)를 중심으로 주요 구성부를 에워싸는 캐비티를 형성하여 국부발진기 모듈의 보호는 물론, 적절한 캐비티(Cavity)의 형성으로 밀리미터파 발진 신호의 출력 전력과 주파수를 매우 안정되게 할 수 있다. 건 다이오드(101) 발진 신호는 캐비티 조건을 만족하는 주파수대에서 안정된다.

이와 같은 구조로 된 본 발명의 국부발진기에 있어서, 발진신호의 생성과 전달과정을 설명하면 다음과 같다.

바이어스전원 공급단자(113)와 바이어스공급로(109)를 통해 전달되는 바이어스전류는 바이어스 쵸크(115)를 거치면서 고조파는 차단되고 순수한 직류 바이어스(DC Bias)가 건 다이오드(101)에 공급된다. 바이어스 전원이 공급되면, 건 다이오드(101)는 캐비티(Cavity) 조건에 맞는 밀리미터파 신호를 발진한다. 그리고, 발진된 신호는 건 다이오드(101)와 수직 배치된 금속 로드 공진기(102)를 통과하면서 적절한 전력과 주파수를 갖도록 조정되고, NRD 가이드(108)에 LSM 모드로 인가되어 NRD 가이드(108)를 따라 전송된다. 이때 발생하는 LSE 모드의 억제를 위해 LSE 모드 서프레서(Mode Suppressor)(104)가 장착되는데, LSE 모드 서프레서(104)는 NRD 가이드(108)의 중앙 자계면(H Field)에 위치하기 때문에 LSM모드의 손실 없이 효과적으로 LSE 모드를 차단해준다. 즉 모드 서프레서(104)는 공진부재(102, 103)가 전달하는 발진신호의 LSM 모드는 통과를 허용하되 LSE 모드는 통과를 억제하여 NRD 가이드(108)로 전달해준다. 결국 건 다이오드(101)가 만들어낸 발진 신호는 LSM 모드 성분만이 NRD 가이드(108)를 따라 방사손실 없이 출력단부(110)까지 전달되고, 종국적으로 출력단부(110)를 통해 밀리미터파 대의 캐리어 신호를 갖는 전자파가 출력된다.

도 21의 그래프는 실험 제작한 본 발명에 따른 국부발진기에 바이어스를 인가하고 1시간 간격으로 측정한 발진 전력 및 주파수의 변화를 측정시점의 온도변화에 따라 도시한 측정 데이터를 보여준다. 바이어스를 인가한 직후의 DUT(Device Under Test)의 온도는 24℃이며, 이후 10시간 동안 측정결과 DUT의 온도는 19℃ 상승하여 43℃ 정도에서 더 이상의 큰 폭의 온도 증감은 보이지 않고 안정되었다. 발진 전력 및 주파수 역시 안정을 보였다. 이 측정으로부터 본 발명의 국부발진기의 실장구조의 실효성을 확인 할 수 있다.

도 22는 바이어스를 인가하고 DUT의 열충격 시험결과를 도시한 것으로, 온도를 급격하게 증가 또는 감소 시켰을 때의 발진 신호의 주파수 변화를 측정한 것이다. 30℃ 온도 급상승 시에 발진 주파수는 약 74MHz 감소하였으며, -20℃까지 온도 급강하 시에는 약 17MHz의 주파수 변화를 보였다. 이 실험 결과는 본 발명의 국부발진기가 외부적인 요인에 의해 정상적인 상온 동작 조건을 벗어나 동작할 경우, 온도의 급상승 시보다는 온도의 급강하 시 발진 주파수가 더 안정됨을 보여준다.

도 23은 본 발명의 국부발진기가 사용되는 대기환경 조건에 맞도록 항온항습조를 이용하여 적절한 온도변화에 따른 DUT의 발진 신호의 변화를 시험하기 위해 각각의 스텝별로 온도 테스트를 위한 셋업구성의 예를 보여주며, 도 24는 도 23의 온도 테스트 결과를 나타낸다. 본 발명의 국부발진기를 내장하고 -20℃에서 +50℃까지의 외부 환경 조건에서 동작하는 통신시스템, 즉 실제 ODU(Out Door Unit)가 동작하는 대기환경 하에서 발진 주파수는 약 90MHz, 발진 전력은 약 4dBm의 변화를 보였다. 이상적인 국부발진기의 경우 외부적인 요인에 의한 신호의 전력레벨과 주파수 변화는 없어야 하지만, 실제의 국부발진기의 경우 외부적인 요인에 따라 발진 전력과 주파수는 변하게 된다. 이 실험 결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 국부발진기는 도 23의 스텝 2에서 스텝 3으로의 변화 시, 발진 주파수가 다소 떨어지는 특성을 보여 개선의 여지는 있지만, 위상동기루프(PLL : Phase Locked Loop)를 부가하여 발진 주파수의 변동을 보상할 수 있다.

도 25는 국부발진기의 발진 전력 및 주파수를 스펙트럼분석기(Spectrum Analyzer)로 측정한 결과이며, 스펙트럼분석기의 보호를 위하여 전단에 26dB의 감쇄값을 갖는 감쇄기(Attenuator)를 장착하였다. 측정결과, 발진 주파수 57.376GHz에서 10.22dBm의 발진 전력을 얻었고, 건 다이오드와 금속로드 공진기 간의 적절한 임피던스 정합(Impedance Matching)으로 45dBc 이하의 양호한 위상잡음(Phase Noise)을 갖도록 함으로써 밀리미터파 대의 안정적인 신호원이 됨을 확인할 수 있었다.

도 26은 본 발명의 국부발진기의 바이어스 전압 변화에 따른 발진 주파수의 가변 정도를 나타낸 푸싱지수(pushing figure)를 측정한 결과이며, 측정된 값은2.79MHz/V로 바이어스 전압을 1V를 변화시킬 때, 2.79MHz의 넓은 범위의 발진 주파수 제어가 가능한 것을 알 수 있고, 이는 본 발명의 국부발진기의 우수한 성능을 보여주는 일례이다.

도 27은 본 발명의 국부발진기의 상온 정상동작 조건하에서 바이어스를 인가한 직후부터 2시간 경과 동안 발진 주파수의 변화를 측정한 것이다. 통신 시스템의 신호원 역할을 수행하는 국부발진기는 바이어스를 인가한 직후부터 가능한 빠른 시간내에 발진 전력과 주파수가 안정되어야 한다. 종래의 대부분의 국부발진기가 안정화되기까지 약 1시간 정도가 소요되는데 비해, 본 발명의 국부발진기의 경우 30분 이내에 정상상태에서 동작함을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명의 국부발진기가 상대적으로 신속하게 안정화되는 것은 다이오드 마운트에 의한 간접적인 열 발산 방식이 아니라 건 다이오드를 하우징의 바닥면에 직접 장착하여 신속하게 열 발산을 시기기 때문이다.

도 28은 본 발명의 국부발진기의 PTD(Post Tuning Drift)를 측정한 것으로 그 값은 138Hz/s로 나타났다. PTD는 국부발진기를 일정 시간 동안 동작시켜 정상상태에서 발진하도록 한 연후에 시간에 따른 발진 주파수의 변화를 측정하는 것이다. 본 발명의 국부발진기는 정상상태에서 동작하도록 3시간 동안 충분히 동작시킨 다음, 다시 3시간 동안 발진 주파수의 변화를 관측하여 평균값을 계산하는 방식으로 측정하였다. 초당 138Hz의 발진 주파수의 변화는 밀리미터파 대의 신호원에 적합하게 적용할 수 있는 수준이며, 이는 본 발명의 국부발진기를 통신 시스템에 유용하게 적용 가능함을 보여준다.

종래의 국부발진기는 건 다이오드를 다이오드 마운트에 장착하여 히트 싱크인 평행평판 하우징에 간접적으로 전달하는 구조이어서 발생 열의 신속한 발산이 어려워 발진신호의 전력 및 주파수가 온도상승으로 인해 불안정하였다. 하지만, 본 발명의 국부발진기는 건 다이오드(101)를 평행평판 하우징(111a, 111b)의 바닥면에 직접 장착하는 구조를 취하여 발생 열이 평행평판 하우징에 직접 전달되어 신속한 열 발산이 가능하다. 따라서, 건 다이오드의 온도가 안정적으로 유지되어 발진신호의 전력 및 주파수 특성이 매우 안정적으로 나타날 수 있다.

본 발명의 국부발진기는 다이오드 마운트(Diode Mount)를 채용하지 않는 구조를 취하므로 국부발진기의 양산시 가공 및 조립에 드는 시간과 비용을 크게 줄일 수 있다. 나아가, 마이크로스트립 공진기보다 상대적으로 제작이 용이하고 발진 전력 및 주파수 안정도면에서 더 우수한 특성을 갖고 조립이 간편한 금속 로드 공진기(Metal Rod Resonator)를 사용함으로써 제작 단가를 낮출 수 있다. 또한, 주파수 튜닝 및 소자보호를 위한 캐비티형성부재를 새로 도입하여 발진특성을 개선할 수 있고 원하는 전력과 주파수를 갖는 신호를 정확하고 안정적으로 얻을 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다. 따라서, 특허청구범위의 등가적인 의미나 범위에 속하는 모든 변화들은 전부 본 발명의 권리범위안에 속함을 밝혀둔다.

Claims

바이어스 전압을 입력받아 밀리미터파대의 발진신호를 출력하는 건 다이오드와, 상기 발진신호의 전력과 주파수를 조절하여 전달하기 위한 공진부재와, 입력단부로 인입되는 발진신호를 출력단부로 전달하여 밀리미터파대의 발진신호를 출력하는 NRD 가이드와, 상기 NRD 가이드의 상기 입력단부에 내삽되어 상기 공진부재가 전달하는 발진신호의 LSM모드는 통과를 허용하되 LSE모드는 통과를 억제하는 LSE모드 서프레서(suppressor)를 상부 및 하부 도체판으로 된 평행평판 하우징 사이에 실장한 국부발진기에 있어서,

상기 건 다이오드는 상기 하부 도체판의 바닥에 형성된 제1 결합공에 애노우드가 노출되게 수직 장착되어 상기 건 다이오드에서 발생되는 열이 상기 하부 도체판에 직접 전달되는 구조로 된 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 1항에 있어서, 상기 건 다이오드는 상기 제1 결합공에 나사 결합방식으로 고정되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 1항에 있어서, 상기 공진부재는 상기 NRD 가이드의 입력단부에 연하여 장착되고 일측면에 제2 결합공이 형성된 고정블록; 및 상기 고정블록의 제2 결합공에 일단부가 노출되도록 삽입되어 상기 NRD 가이드의 길이방향과 수직을 이루며 노출단부가 상기 건 다이오드의 애노우드와 직접 접촉되는 금속 로드 공진기를 구비하는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 3항에 있어서, 상기 고정블록은 상기 하부 도체판에 형성된 장착홈에 압설되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 3항에 있어서, 상기 금속 로드 공진기의 단부와 상기 건 다이오드의 애노우드는 납땜에 의해 직접 결합되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 1항에 있어서, 바이어스공급로로부터 제공되는 바이어스 전원의 고조파를 차단하여 직류 바이어스를 상기 건 다이오드로 공급하는 바이어스 쵸크를 더 구비하며, 상기 바이어스 쵸크는 유전체 기판 상에 적층된 동박(銅箔)을 마이크로스트립 형태로 에칭하여 만들어지며, 상기 하부 도체판 위에 평행하게 놓여지고 상기 바이어스공급로와 상기 건 다이오드와는 각각 와이어를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 6항에 있어서, 상기 발진신호의 전력 및 주파수의 안정화를 위해, 상기 평행평판 하우징 안에 장착되어 상기 NRD 가이드가 통과하는 개구가 마련되고 상기 건 다이오드, 상기 공진부재, 상기 모드 서프레서가 내포된 상기 NRD 가이드의 입력단부를 포위하는 캐비티를 정의하는 캐비티형성부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 7항에 있어서, 상기 캐비티형성부재는 그 바닥면에 상기 바이어스쵸크 통과용 홈이 형성되어 상기 바이어스 쵸크는 상기 하부 도체판과 상기 홈에 의해 정의되는 공간 안에 위치되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 7항에 있어서, 상기 캐비티형성부재는 그 바닥면의 길이방향으로 상기 평행평판의 누설파 차단용 λ/4 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 7항에 있어서, 상기 캐비티형성부재와 상기 하부도체판은 서로 대응되는 위치에 형성된 다수개의 나사홈에 주파수 튜닝용 나사를 삽입하여 결합되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
바이어스 전압을 입력받아 밀리미터파대의 발진신호를 출력하는 건 다이오드와, 상기 발진신호를 그 주파수를 조절하여 전달하기 위한 공진부재와, 입력단부로 인입되는 발진신호를 출력단부로 전달하여 밀리미터파대의 발진신호를 출력하는 NRD 가이드와, 상기 NRD 가이드의 상기 입력단부에 내삽되어 상기 공진부재가 전달하는 발진신호의 LSM모드는 통과를 허용하되 LSE모드는 통과를 억제하는 모드 서프레서를 상부 및 하부 도체판으로 된 평행평판 하우징 사이에 실장한 국부발진기에 있어서,

상기 발진신호의 출력 및 출력 주파수의 안정화를 위해, 상기 평행평판 하우징 안에 장착되어 상기 NRD 가이드가 통과하는 개구가 마련되고 상기 건 다이오드, 상기 공진부재, 상기 모드 서프레서가 내포된 상기 NRD 가이드의 입력단부를 포위하는 캐비티를 정의하는 캐비티형성부재를 더 구비하고,

상기 캐비티형성부재와 상기 하부도체판은 서로 대응되는 위치에 형성된 다수개의 나사홈에 주파수 튜닝용 나사를 삽입하여 결합되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 11항에 있어서, 상기 캐비티형성부재는 그 바닥면의 길이를 따라서 상기 평행평판의 누설파 차단용 λ/4 홈이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 11항에 있어서, 상기 캐비티형성부재는 그 바닥면에 바이어스 전류의 고조파성분을 차단하여 직류 바이어스를 상기 건 다이오드 구동용 바이어스 전압으로 제공하는 바이어스쵸크 통과용 홈이 형성되어 상기 바이어스 쵸크는 상기 하부 도체판과 상기 홈에 의해 정의되는 공간 안에 위치되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
바이어스 전압을 입력받아 밀리미터파대의 발진신호를 출력하는 건 다이오드; 상기 발진신호를 그 주파수를 조절하여 전달하기 위한 공진부재; 입력단부로 인입되는 발진신호를 출력단부로 전달하여 밀리미터파대의 발진신호를 출력하는 NRD 가이드; 및 상기 발진신호의 출력 및 출력 주파수의 안정화를 위해, 상기 평행평판 하우징 안에 장착되어 상기 NRD 가이드가 통과하는 개구가 마련되고 상기 건 다이오드, 상기 공진부재, 상기 모드 서프레서가 내포된 상기 NRD 가이드의 입력단부를 포위하는 캐비티를 정의하는 캐비티형성부재를 상기 NRD 가이드의 상기 입력단부에 내삽되어 상기 공진부재가 전달하는 발진신호의 LSM모드는 통과를 허용하되 LSE모드는 통과를 억제하는 모드 서프레서를 상부 및 하부 도체판으로 된 평행평판 하우징 사이에 실장한 국부발진기에 있어서,

상기 공진부재는 상기 NRD 가이드의 입력단부에 연하여 장착되고 일측면에 결합공이 형성된 고정블록과, 상기 결합공에 일단부가 노출되도록 삽입되어 노출단부가 상기 건 다이오드의 애노우드와 직접 접촉함과 동시에 상기 NRD 가이드의 길이방향과 수직되게 배치된 금속 로드 공진기를 구비하고,

상기 캐비티형성부재와 상기 하부도체판은 서로 대응되는 위치에 형성된 다수개의 나사홈에 주파수 튜닝용 나사를 삽입하여 결합되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 14항에 있어서, 상기 캐비티형성부재는 그 바닥면의 길이를 따라서 상기 평행평판 하우징에 누설파 차단용 λ/4 홈이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 14항에 있어서, 상기 고정블록은 상기 하부 도체판에 형성된 장착홈에 압설되는 것을 특징으로 하는 국부발진기.
제 14항에 있어서, 상기 건 다이오드는 상기 하부 도체판의 바닥에 형성된 제1 결합공에 애노우드가 노출되게 수직 장착되어 상기 건 다이오드에서 발생되는 열이 상기 하부 도체판에 직접 전달되는 구조로 된 것을 특징으로 하는 국부발진기.