KR20110078453A - Ring resonator apparatus - Google Patents

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KR20110078453A
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이동욱
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    • H01P7/06Cavity resonators
    • H01P7/065Cavity resonators integrated in a substrate

Abstract

PURPOSE: A ring resonator is provided to have a periodic step impedance, thereby reducing the size of a wireless communication system and increasing the performance of the wireless communication system. CONSTITUTION: A ring resonator(10) is composed of a high impedance line and a low impedance line. A feed line is placed in the ring resonator. Two resistors(R1,R2) are connected in a base node of a transistor(TR1). An impedance(I1) is connected to the collector of the transistor. The feed line generates negative resistance using an open stub in an emitter terminal of the transistor.

Description

링 공진기{RING RESONATOR APPARATUS} Ring resonators {RING RESONATOR APPARATUS}

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 특히 링 공진기에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor device and, more particularly, to a ring resonator.

일반적으로, 마이크로스트립 링 공진기는 손실이 적고 퀄러티 팩터(quality factor) 값이 높으며, 제작하기가 용이하여 필터, 발진기, 믹서, 안테나 등에 널리 사용되고 있다. In general, the microstrip ring resonator has low loss is widely used in quality-factor (quality factor) has high values, it is easy to filter to produce the oscillator, a mixer, an antenna.

링 구조의 공진기는 서로 영향을 주지 않으면서 동시에 발생하는 공진 모드를 가짐으로써, 이중 모드 필터로 사용되기도 한다. The resonator of the ring structure may also be used to do not affect each other by having a standing resonant modes occurring at the same time, the double-mode filter.

그러나 일반적인 환상과 정사각형의 링 공진기는 한 파장의 전기적 길이를 가지게 되어, 낮은 RF 영역에 적용하였을 경우 수동 소자가 차지하는 크기가 큰 단점을 갖게 된다. However, the general cavity of the annular ring and the square is to have an electrical length of one wavelength, when RF was applied to the lower region will have the major disadvantage that the size occupied by a passive element.

이러한 링 공진기의 크기를 줄이기 위하여 폴디드(folded) 구조의 공진기가 제안되었으나, 폴디드 구조의 라인 사이에서 발생되는 커플링 영향이 고려되지 않는 문제가 있다. Although the folded (folded) resonator structure proposed to reduce the size of such a ring resonator, the coupling effect that is generated between lines of the folded structure there is not considered a problem. 또한, 헤어핀(hairpin) 공진기는 개방 회로의 단점인 방사 손실과 프린지(fringe) 영향을 피할 수 없다. In addition, the hairpins (hairpin) the resonator can not avoid the disadvantages of radiation loss and a fringe (fringe) effect of an open circuit.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 위상 잡음을 개선하고 링 공진기의 크기를 보상하는 링 공진기를 제공하는데 있다. The present invention is to provide a ring resonator to improve the phase noise and compensate for the size of the ring resonator.

본 발명의 실시예에 의한 링 공진기는 하이 임피던스를 갖는 라인과, 하이 임피던스와 교번되게 연결되어 전체적으로 링 구조로 배열되고, 로우 임피던스를 갖는 라인 및 하이 임피던스와 로우 임피던스의 링 구조 내에 피드 라인을 포함하는 것을 특징으로 한다. Ring resonator according to an embodiment of the present invention comprises a feed line in a high having an impedance lines and are connected in high impedance and an alternating whole being arranged in a ring structure, the ring structure of the line and the high impedance and low impedance having a low impedance and it characterized in that.

본 발명의 실시예에 따른 링 공진기는 주기적 스텝 임피던스를 갖는 링 공진기를 구현함으로써, 무선 통신 시스템의 크기 감소와 성능을 향상시키며, 링 공진기 내에 피드 라인(feed line)을 포함함으로써 링 공진기의 단점인 크기를 보상할 수 있다. By the ring resonator according to an embodiment of the present invention implements a ring resonator having a periodic stepped impedance, improve size reduction and performance of a wireless communication system, in a ring resonator drawbacks of the ring resonator by including a feed line (feed line) you can compensate for the size.

이하, 본 발명의 기술적 과제 및 특징들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. Or less, aspect and feature of the present invention will be clearly revealed through the description of the drawings and the accompanying embodiments. 본 발명을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. Looking at the invention in detail as follows.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 링 공진기를 설명하기로 한다. Hereinafter will be described a ring resonator in accordance with an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 링 공진기를 설명하기 위한 공정별 단면도 이다. 1 is a process-specific cross-sectional view of a ring resonator in accordance with an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 전압 제어 발진기의 공진부에 사용되는 주기적 스텝 임피던스 링 공진기의 구성도이다. 1 is a block diagram of a periodic stepped impedance ring resonator used in the resonator portion of the voltage-controlled oscillator of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 공진부에 사용되는 주기적 스텝 임피던스 링 공진기는 하이 임피던스 라인과 로우 임피던스 라인의 비를 이용하여 주기적인 구조를 갖는다. 1, the periodic stepped impedance ring resonator used in the resonance part of the present invention has a periodic structure by using the ratio of the high-impedance line and a low-impedance line. 이에 따라 기존의 높은 Q값을 갖는 환상형과 직사각형 링 공진기보다 작은 크기에서 높은 Q값을 유지하며, 하모닉 억압 특성을 나타내게 된다. Accordingly, while maintaining a high Q value in a size smaller than the rectangular annular ring resonator having a conventional high Q value, it exhibits a harmonic suppression characteristics.

이러한 특징을 적용하여 발진기를 설계, 마이크로스트립을 이용한 기존의 링, 헤어핀 발진기의 위상 잡음 특성을 개선하였다. Designing the oscillator by applying this characteristic, and to improve phase noise characteristics of an existing ring, hairpin oscillator using a microstrip.

주기적 스텝 임피던스 링 공진기(10)는 하이 임피던스 라인(Z 2 , 2θ 2 ) 및 로우 임피던스 라인(Z 1 , 2θ 1 )으로 구성된다. Consists of a periodically stepped impedance ring resonator 10 has a high impedance line (Z 2, 2) and a low impedance line (Z 1, 1).

여기에서, Z는 라인의 임피던스를 나타내고, θ는 라인의 전기적 길이를 뜻한다. Here, Z denotes the impedance of the line, θ stands for the electrical length of the line.

K는 Z2/Z1으로서 하이 임피던스 라인과 로우 임피던스 라인의 비를 나타내며, K=1일 때, 일반적인 링 동진기의 구조가 된다. K represents a ratio of the high-impedance line and a low-impedance line as Z2 / Z1, is the structure of a general ring Dongjin group when K = 1 day. 주기적인 스텝 임피던스 링 공진기의 예로 K=0.4 인 경우 θ fun =19.85,θ 2ndfun =2로써 그 구조의 크기가 줄어들고 하모닉 억압 특성을 가짐을 알 수 있다. An example of a periodic stepped impedance ring resonator case of K = 0.4 θ fun = 19.85, that the size of the structure as a 2nd θ / θ 2 = fun shrinking it can be seen that has a harmonic suppression characteristics.

여기에 본원 발명의 공진기와 같이 피드 라인(Feed line)을 구조의 안쪽에 형성하여 발진기를 구현하면 링공진기의 단점인 크기를 보상할 수 있는 효과가 있 다. Here to implement the oscillator is formed on the inside of the line feed (Feed line) structure, such as the resonator of the present invention is there is an effect that it is possible to compensate for the disadvantage of the size of the ring resonator.

도 2a는 주 공진 모드의 등가회로이며, 도 2b는 하모닉 공진 모드의 등가 회로이다. Figure 2a is an equivalent circuit of the primary resonance mode, Figure 2b is an equivalent circuit of a harmonic resonance mode.

각각 공진 모드에서의 일렉트릭컬 렝쓰(electrical length)를 구하면, Obtaining a local electric-length (electrical length) at each resonance mode,

Figure 112009082021534-PAT00001

Figure 112009082021534-PAT00002
가 된다. It becomes.

이러한 특성을 갖는 링 공진기의 설계는 스트립라인의 폭(W), 직사각형 링 공진기와 전송선로 간의 간격(s) 및 직사각형 링 공진기의 길이(L)에 따라 결정된다. The design of the ring resonator having such properties are determined according to the interval (s) and length (L) of the rectangular ring resonator between the width (W), the rectangular ring resonator and transmission lines of the strip line.

이를, 하기의 수학식들을 통해 설명하기로 한다. This, will be described through the equation below. 우선 하기의 수학식들에서 사용되는 변수들을 정의하면, 결합계수는'C', 전송선로의 특성 임피던스는 'Zo', 스트립라인의 두께는 'b', 스트립라인의 유전율은 'ε', 빛의 속도는 'c', 발진주파수는 'f'로 정의한다. By defining the parameters used in the equation to first, the coupling coefficient is 'C', the characteristics of the transmission line impedance 'Zo', the thickness of the strip line is the dielectric constant of the 'b', stripline 'ε', light the rate is 'c', the oscillation frequency is defined as 'f'.

Figure 112009082021534-PAT00003

Figure 112009082021534-PAT00004

여기서, Zoe는 이븐 모드 임피던스(Even Mode Impedance), Zoo는 오드 모드 임피던스(Odd Mode Impedance)를 나타낸다. Here, the even mode impedance Zoe represents a (Even Mode Impedance), Zoo is the odd mode impedance (Odd Mode Impedance).

Figure 112009082021534-PAT00005

Figure 112009082021534-PAT00006

Figure 112009082021534-PAT00007

상기 수학식 2와 수학식 3은 스트립라인 폭(W)과, 직사각형 링 공진기와 전송선로 간의 간격(s)을 결정하는 수학식이며, 이 수학식에 의해 스트립라인 폭(W)과, 직사각형 링 공진기와 전송선로 간의 간격(s)이 결정된다. Equation (2) and equation (3) is a strip line width (W) and a mathematical an expression for determining the distance (s) between the rectangular ring resonator and a transmission line, strip line width by the formula (W) and a rectangular ring resonator the determined distance (s) in between the transmission lines.

이에 반해, 직사각형 링 공진기의 길이(L)는 에너지 결합량에 따라 결정된다. On the other hand, the length (L) of the rectangular ring resonators is determined by the amount of energy coupling. 예컨데, 설계하고자 하는 주파수가 λ/4일 때, 에너지가 가장 많이 집중되어 공진이 일어나게 된다. For example, when the frequency at which the λ / 4 il to design, energy is most concentrated is the resonance occurs. 하지만, 결합되는 에너지의 양에 따라서 λ/8, λ/16로 줄 일 수 있다. However, according to the amount of energy which can be coupled to the line λ / 8, λ / 16. 또한, 스트립라인 폭(W)도 가로 세로가 동일한 폭이 아니어도 원하는 주파수에서 공진이 일어날 수 있다. Further, the strip line width (W) also has the aspect can lead to resonance at the desired frequency does not have to be the same width.

한편, 링 공진기는 상기에서 설명한 바와 같이 결합계수(C)의 크기에 의해 결정되는 링 공진기와 전송선로 간의 간격(s)에 따라서 직렬 공진 또는 병렬 공진으로 구현할 수 있는데, 대체적으로 결합계수(C)가 크면(즉, 's'가 작으면) 병렬 공진 현상이 일어나고, 결합계수(C)가 작으면(즉, 's'가 크면) 직렬 공진 현상이 일어난다. On the other hand, the ring resonator can be implemented in the interval (s) between the ring resonator and a transmission line, which is determined by the magnitude of the coupling coefficient (C) as described above, according to the series resonator or the parallel resonator, generally the coupling coefficient (C) It is large taking place (that is, 's' is small,) in parallel resonance, smaller the coupling coefficient (C) (namely, 's' is large), causing a series resonance phenomenon.

상기 수학식 4는 스트립라인에서 파장을 구하는 수학식으로, 유전율이 높을 수록 파장이 작아지며, 이에 따라, 직사각형 링 공진기의 길이(L)도 작아져 높은 유전율의 기판을 사용하면 공진기를 소형화할 수 있어 RF 시스템에서의 전압 제어 발진기의 점유율을 줄일 수 있다. Equation 4 is a formula to obtain the wavelength in the strip line, the higher the dielectric constant, the smaller the wavelength, so that, if back and forth in small length (L) of the rectangular-ring resonator using a substrate of a high dielectric constant to reduce the size of the resonator it can reduce the market share of the voltage-controlled oscillator in the RF system.

도 3은 도 1에 도시된 주기적 스텝 임피던스 링 공진기를 이용한 본 발명의 발진기 회로의 구성도이다. 3 is a configuration diagram of the oscillator circuit of the present invention using a periodically stepped impedance ring resonator shown in Fig.

도 3을 참조하면, 본 발명의 발진기 회로는 주기적 스텝 임피던스 링 공진기(10), 캐패시터(C1), 제1저항(R1), 제2저항(R2), 트랜지스터(TR1), 임피던스(I1), 오픈 스터브(60) 및 캐패시터(C2)를 포함한다. 3, the oscillator circuit of the present invention periodically stepped impedance ring resonator 10, a capacitor (C1), a first resistor (R1), a second resistor (R2), the transistor (TR1), the impedance (I1), and a open stub (60) and a capacitor (C2).

선형적으로 좁아지는 피드라인(feed line)을 적용하였으며, 트랜지스터(TR1)의 에미터 단자에 오픈 스터브(60)를 사용하여 부성저항을 발생시켰다. Was applied a linear feed line (feed line) is narrowed by, it gave rise to the negative resistance by using the open stub 60 to the emitter terminal of the transistor (TR1).

트랜지스터(TR1)의 베이스 노드에 두 개의 저항(R1, R2)이 연결되며, 콜렉터에 임피던스(I1)가 연결된다. And the two resistors (R1, R2) connected to the base node of the transistor (TR1), that the collector impedance (I1) is connected.

바이어스는 선형 영역으로 동작하는 A급 바이어스를 사용하였다. Bias was used as a class A bias, which operates in the linear region.

본 발명의 2.4GHz에서 제작한 주기적 스텝 임피던스 링 공진기의 크기는 19.85의 일렉트리컬 렝쓰를 가지며 기존의 링보다 18%가 감소된 효과가 있다. The size of a stepped impedance cyclic ring resonator manufactured in the present invention has an electret 2.4GHz tree curl-length of 19.85 has a 18% reduction compared to conventional ring effect.

또한, 본 발명의 주기적 스텝 임피던스 링 공진기를 이용한 발진기의 위성 잡음 특성은 -107.87dBc/Hz(100kHz offset)으로써 같은 조건에서 제작된 헤어핀 발진기보다 향상된 값을 갖는다. In addition, the satellite-noise characteristics of the oscillator using a periodically stepped impedance ring resonator of the present invention have an enhanced value than hairpin oscillator manufactured under the same conditions as (100kHz offset) -107.87dBc / Hz.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 주기적 스텝 임피던스 링 공진기를 포함하는 발진기는 향후 무선 통신 시스템의 크기 감소 및 성능을 향상시킬 수 있다. Thus, the oscillator comprising a periodically stepped impedance ring resonator according to an embodiment of the present invention can improve the performance and reduce the size of future wireless communication systems.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. The present invention described above is not limited to the embodiment example described above and the accompanying drawings, conventional in the art that that various changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention to which the invention pertains have the knowledge to those will be obvious. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다. Accordingly, the technical scope of the present invention will have to be not limited to the contents described in the description of the specification appointed by the claims.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 링 공진기를 설명하기 위한 공정별 단면도. 1 is a process-specific cross-sectional view of a ring resonator in accordance with an embodiment of the present invention.

도 2a는 주 공진 모드의 등가회로도. Figure 2a is an equivalent circuit diagram of the primary resonance mode.

도 2b는 하모닉 공진 모드의 등가 회로도. Figure 2b is an equivalent circuit diagram of a harmonic resonance mode.

도 3은 주기적 스텝 임피던스 링 공진기를 이용한 본 발명의 발진기 회로의 구성도. Figure 3 is a block diagram of an oscillator circuit of the present invention using a periodic stepped impedance ring resonator.

Claims (6)

  1. 하이 임피던스를 갖는 라인; Line having a high impedance;
    상기 하이 임피던스와 교번되게 연결되어 전체적으로 링 구조로 배열되고, 로우 임피던스를 갖는 라인; The high-impedance and is connected alternately to be arranged in a ring structure as a whole, the line having a low impedance; And
    상기 하이 임피던스와 로우 임피던스의 링 구조 내에 피드 라인(feed line)을 포함하는 것을 특징으로 하는 링 공진기. The ring resonator comprises a feed line (feed line) in the ring structure of the high impedance and low impedance.
  2. 제 1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 피드 라인은 The feed line
    게이트 노드에 두 개의 저항이 연결되며, 콜렉터에 임피던스가 연결된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 링 공진기. And two resistors connected to the gate node, a ring resonator which is characterized in that it comprises a structure that the impedance connected to the collector.
  3. 제 1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 피드라인은 The feed line
    에미터 단자에 오픈 스터브가 연결되어 부성 저항을 발생시키는 것을 특징으로 하는 링 공진기. The open stub is connected to the emitter terminal ring resonator, comprising a step of generating a negative resistance.
  4. 제 1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 피드 라인은 The feed line
    선형적으로 좁아지는 특성을 특징으로 하는 링 공진기. Ring resonator characterized by a narrower characteristic that linearly.
  5. 제 1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 링 공진기의 Of the ring resonator
    주공진 모드의 등가 회로는 Critical path equivalent circuit of binary mode
    Figure 112009082021534-PAT00008
    (K=Z2/Z1으로서 하이 임피던스 라인과 로우 임피던스 라인의 비)의 수학식이 적용되는 것을 특징으로 하는 링 공진기. Ring resonator characterized in that the application of the mathematical expression (as K = Z2 / Z1 a high-impedance line and a low-impedance ratio of the line).
  6. 제 1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 링 공진기의 하모닉 공진 모드의 등가 회로는 The equivalent circuit of a harmonic resonance mode of the ring resonator is
    Figure 112009082021534-PAT00009
    (K=Z2/Z1으로서 하이 임피던스 라인과 로우 임피던스 라인의 비)의 수학식이 적용되는 것을 특징으로 하는 링 공진기. Ring resonator characterized in that the application of the mathematical expression (as K = Z2 / Z1 a high-impedance line and a low-impedance ratio of the line).
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