KR20130068832A - 전압 제어 발진장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전압 제어 발진장치에 관한 것으로, 기판 상에 메타물질 특성의 분리 링 공진기가 제작된 분리 링 공진 인쇄회로기판과, 분리 링 공진기의 공진 발진을 일으키기 위한 회로가 집적회로 형태로 제작된 에너지 보상 집적회로를 포함하며, 인쇄회로기판 위에 메타물질 특성을 갖는 분리 링 공진기를 제작하기 때문에 높은 품질계수를 가지기에 우수한 위상잡음 특성을 나타내고, 발진을 일으키기 위한 회로는 집적회로 형태로 제작하기 때문에 면적을 작게 유지할 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 전압 제어 발진장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메타물질의 특성을 갖는 분리 링 공진기(SRR, Split Ring Resonator)를 가지는 전압 제어 발진장치에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 전압 제어 발진장치의 설계 시에 위상잡음은 발진 성능을 나타내는 중요한 지표 중의 하나로 사용되는 값이다. 위상잡음이 좋을 수록 발진장치의 안정성이 좋아진다. 이러한 위상잡음은 공진기의 품질계수(Quality factor, Q)에 영향을 받는다고 알려져 있다. 공진기의 품질계수는 특정 주파수의 선택특성을 말하는 것이다. 품질계수가 높다는 것은 협대역의 의미로서 날카롭게 주파수를 선택할 수 있다는 의미이다. 즉, 주파수 선택도가 향상된다.
종래 기술에 따른 전압 제어 발진장치 중에서 메타물질(metamaterials) 특성을 갖는 분리 링 공진기를 이용한 전압 제어 발진장치는 인쇄회로기판 위에 분리 링 공진기가 제작되었을 경우에 높은 품질계수를 가지며, 위상잡음 특성 또는 뛰어난 성능을 가지고 있다. 하지만 집적회로(integrated circuit) 형태의 전압 제어 발진장치에 비해 면적이 상당히 크다는 문제점을 가지고 있다.
종래 기술에 따른 전압 제어 발진장치의 다른 예로서 집적회로 형태의 전압 제어 발진장치는 그 면적이 매우 작다는 장점을 가지고 있다. 하지만 이는 전압 제어 발진장치에서 가장 중요한 위상잡음을 낮추는 데에 한계점이 존재하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 인쇄회로기판 위에 메타물질 특성을 갖는 분리 링 공진기를 제작하고 발진을 일으키기 위한 회로는 집적회로 형태로 제작한 하이브리드 형태의 전압 제어 발진장치를 제공한다.
아울러, 본 발명은 각기 다른 주파수에서 동작하는 복수의 분리 링 공진기를 인쇄회로기판 위에 제작하고 필요에 따라 어느 하나의 특정 분리 링 공진기가 공진을 일으키게 하는 전압 제어 발진장치를 제공한다.
본 발명의 제 1 관점으로서 전압 제어 발진장치는, 기판 상에 메타물질 특성의 분리 링 공진기가 제작된 분리 링 공진 인쇄회로기판과, 상기 분리 링 공진기의 공진 발진을 일으키기 위한 회로가 집적회로 형태로 제작된 에너지 보상 집적회로를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 분리 링 공진기는, 음의 굴절률과 음의 투자율을 가질 수 있다.
상기 에너지 보상 집적회로는, 부성 저항 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 보상 집적회로는, 크로스 커플링(cross-coupling) 된 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS field-effect transistor, MOSFET)로 구현할 수 있다.
본 발명의 제 2 관점으로서 전압 제어 발진장치는, 기판 상에 메타물질 특성을 가지는 복수의 분리 링 공진기가 제작되어 상기 복수의 분리 링 공진기가 각기 다른 주파수에서 동작하는 분리 링 공진 인쇄회로기판과, 상기 분리 링 공진기의 공진 발진을 일으키기 위한 회로가 집적회로 형태로 제작된 에너지 보상 집적회로와, 상기 복수의 분리 링 공진기 중에서 어느 하나의 분리 링 공진기가 상기 에너지 보상 집적회로에 의해 공진 발진을 일으키도록 스위칭 동작하는 복수의 스위치를 포함할 수 있다.
여기서, 분리 링 공진 인쇄회로기판은, 각기 다른 주파수에서 동작하는 제 1 분리 링 공진기와 제 2 분리 링 공진기를 포함하며, 상기 복수의 스위치는, 상기 에너지 보상 집적회로와 상기 제 1 분리 링 공진기와의 사이에서 스위칭 동작하는 제 1 스위치와, 상기 에너지 보상 집적회로와 상기 제 2 분리 링 공진기와의 사이에서 스위칭 동작하는 제 2 스위치를 포함할 수 있다.
상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치는 인버터를 통해 연결이 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 인쇄회로기판 위에 메타물질 특성을 갖는 분리 링 공진기를 제작하기 때문에 높은 품질계수를 가지기에 우수한 위상잡음 특성을 나타내며, 발진을 일으키기 위한 회로는 집적회로 형태로 제작하기 때문에 면적을 작게 유지할 수 있는 효과가 있다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 형태는 높은 품질계수의 공진기가 필요한 전압 제어 발진장치와 낮은 위상잡음을 가져야 하는 전압 제어 발진장치 등의 모든 분야에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 전압 제어 발진장치의 블록 구성도이다.
도 2는 도 1의 전압 제어 발진장치를 구성하는 에너지 보상 집적회로의 회로도이다.
도 3은 도 1의 전압 제어 발진장치를 구성하는 분리 링 공진 인쇄회로기판의 공진기를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 공진기의 리젝션 레벨(rejection level)을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 전압 제어 발진장치의 회로도이다.
도 6은 도 1의 전압 제어 발진장치가 안정적으로 발진함을 나타내는 주파수 및 전압 파형도이다.
도 7은 도 5의 전압 제어 발진장치가 다중 대역에서 동작함을 나타내는 주파수 및 전압 파형도이다.
도 2는 도 1의 전압 제어 발진장치를 구성하는 에너지 보상 집적회로의 회로도이다.
도 3은 도 1의 전압 제어 발진장치를 구성하는 분리 링 공진 인쇄회로기판의 공진기를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 공진기의 리젝션 레벨(rejection level)을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 전압 제어 발진장치의 회로도이다.
도 6은 도 1의 전압 제어 발진장치가 안정적으로 발진함을 나타내는 주파수 및 전압 파형도이다.
도 7은 도 5의 전압 제어 발진장치가 다중 대역에서 동작함을 나타내는 주파수 및 전압 파형도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 전압 제어 발진장치의 블록 구성도이다.
이에 나타낸 바와 같이 전압 제어 발진장치(100)는, 에너지 보상 집적회로(110)와 분리 링 공진 인쇄회로기판(120)을 포함한다.
전압 제어 발진장치(100)의 위상잡음을 개선하고자 할 때에 가장 중요한 역할을 하는 것이 공진기의 품질계수이다. 이에, 본 발명의 실시 예에 따른 분리 링 공진 인쇄회로기판(120)은 공진기의 높은 품질계수를 구현하기 위하여 메타물질 특성을 가지는 분리 링 공진 구조를 이용한다. 아울러, 분리 링 공진 구조는 자체적으로 높은 품질계수를 가지고 있으나 이는 본 발명처럼 인쇄회로기판 위에 제작이 되었을 때에 성능을 발휘할 수 있다. 그리고, 공진기의 부분이 집적회로화가 되면 품질계수가 매우 낮아 짐으로 인해 위상잡음 개선에 별다른 효과를 보지 못한다. 이에 본 발명에서는 공진기의 품질계수를 그대로 유지하기 위하여 공진기 부분만 따로 인쇄회로기판 위에 제작하여 분리 링 공진 인쇄회로기판(120)을 구현한다.
그리고, 분리 링 공진 인쇄회로기판(120)에 제작된 메타물질 특성의 분리 링 공진기의 공진 발진을 일으키기 위한 회로부분인 에너지 보상회로는 집적회로 형태로 제작하여 에너지 보상 집적회로(110)를 구현한다. 이러한 에너지 보상 집적회로(110)는 부성 저항 회로를 더 포함할 수 있으며, 집적회로 형태로 구현되기 때문에 크기 및 면적을 최소화 할 수 있다. 이러한 에너지 보상 집적회로(110)는 도 2에 나타낸 바와 같이 크로스 커플링(cross-coupling) 된 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS field-effect transistor, MOSFET)로 구현할 수 있다.
도 3에 나타낸 분리 링 공진 구조는 펜드리(Pendry)에 의해 증명되었던 LHM(left handed material) 특성을 가진 공진 구조로서 자계가 원형의 축을 따라서 극성을 갖는 경우, 그것들의 공진 주파수 근처에서 협대역으로 신호전달을 저지할 수 있는 공진기이다. 이것은 분리 링 공진기의 공진 상하에서의 실질적인 투자율의 양과 음의 값들의 결과로 해석된다. 또한 펜드리에 의해서 제안된 기본적인 분리 링 공진 구조로부터 고안된 수많은 다른 공진기 구조들은 소형의 협대역 대역통과 여과기와 다이플렉서의 설계에 적용할 수 있는 것으로 증명되었다. 이것으로부터 음의 유전율을 갖는 매체는 공진 물질로 동작할 수 있음을 보여준다. 기본적인 분리 링 공진 구조의 주파수 선택 동작은 공진이 발생될 때 원형의 마이크로스트립 부분에 유발된 전류 루프들에 의해서 설명되어질 수 있다. 기본적인 분리 링 공진기에 외부에서 시간에 따라 변하는 자계가 가해지면, 두 링에는 전류가 유기된다. 이 전류 루프에 의해 인덕턴스가 발생하며, 안쪽 링과 바깥쪽 링 사이의 간격(d)에 의해 커패시턴스 발생하다. 이 간격이 좁게 되면 공진주파수가 낮아지게 된다. 또한 각각의 링의 가장자리 틈에서 커패시턴스가 발생한다. 이를 등가모델화 하면 LC(Inductance-Capacitance) 공진부로 모델링 될 수 있으며, L과 C값에 의해 주파수 선택이 가능하다. 만약 이것들의 방향이 적절하게 조절되면 특정한 협대역에서 신호 전달을 저지할 수 있다. 공진 주파수 는 수학식 1과 같다.
이처럼 본 발명의 실시 예에 따라 인쇄회로기판 상에 제작되는 메타물질 특성의 분리 링 공진기는 음의 굴절률과 음의 투자율을 가지는 구조이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 분리 링 공진 인쇄회로기판이 충분히 높은 품질계수를 가질 수 있음을 증명하고 있다. 아울러, 도 6은 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 전압 제어 발진장치(100)가 약 3.8GHz에서 안정적으로 동작하고 있음을 보여 주고 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 전압 제어 발진장치의 회로도이다.
본 발명의 제 2 실시 예에 따르면 전압 제어 발진장치는, 도 1의 도면부호 120에 해당하는 분리 링 공진 인쇄회로기판이 각기 다른 주파수에서 동작하는 제 1 분리 링 공진기(121)와 제 2 분리 링 공진기(123)가 인쇄회로기판 위에 제작되어 구현되며, 제 1 분리 링 공진기(121)와 제 2 분리 링 공진기(123) 중에서 어느 하나의 분리 링 공진기가 공진을 일으키게 하는 제 1 스위치(131)와 제 2 스위치(133)를 더 포함한다. 이러한 제 1 스위치(131)와 제 2 스위치(133)는 복수의 분리 링 공진기 중에서 어느 하나의 분리 링 공진기가 에너지 보상 집적회로에 의해 공진 발진을 일으키도록 스위칭 동작한다. 즉 제 1 스위치(131)는 에너지 보상 집적회로와 제 1 분리 링 공진기(121)와의 사이에서 스위칭 동작을 하며, 제 2 스위치(133)은 에너지 보상 집적회로와 제 2 분리 링 공진기(123)와의 사이에서 스위칭 동작을 한다.
도 5에는 도시하지 않았으나 제 1 스위치(131)와 제 2 스위치(133)는 인버터를 통해 연결이 이루어진다. 이에, 예컨대 제 1 스위치(131)에 하이신호"1"이 인가되면 제 2 스위치(133)에는 로우신호 "0"이 인가되어 제 1 분리 링 공진기(121)의 공진에 의해 전압 제어 발진장치가 동작한다. 반대로, 제 2 스위치(133)에 하이신호 "1"이 인가되면 제 1 스위치(131)에 로우신호 "0"이 인가되어 제 2 분리 링 공진기(123)의 공진에 의해 전압 제어 발진장치가 동작한다.
도 7은 도 5의 전압 제어 발진장치가 다중 대역에서 동작함을 나타내는 주파수 및 전압 파형도이다.
도 7에서 제일 위 쪽의 그래프를 보면 디지털 신호가 1에서 0으로 바뀌고 있음을 볼 수 있다. 두 번째 그래프를 보면 이 신호에 의해 동작주파수가 1.8GHz에서 3.8GHz로 바뀌고 있음을 볼 수 있고 변경구간을 통해 일정한 시간을 두고 바뀌고 있다. 세 번째 그래프에서 변경에 따른 출력파형을 보여주고 있다. 마지막 그래프에서는 세 번째 그래프의 A, B의 발진주파수를 확대한 그래프이다. 이러한 도 7을 통해 알 수 있듯이 도 5와 같이 제 1 분리 링 공진기(121), 제 2 분리 링 공진기(123), 제 1 스위치(131) 및 제 2 스위치(133)를 포함하도록 구현하면 다중대역에서 주파수 가변을 할 수 있는 위상잡음이 뛰어난 전압 제어 발진장치를 구현할 수 있다.
도 5의 실시 예에서는 2개의 분리 링 공진기, 즉 제 1 분리 링 공진기(121)와 제 2 분리 링 공진기(123)를 포함하도록 전압 제어 발진장치를 구현하였으나, 분리 링 공진기의 수는 더 증가될 수 있다. 즉 각기 다른 주파수에서 동작하는 2개 이상의 분리 링 공진기 및 이들을 스위칭하여 어느 하나의 분리 링 공진기에 의한 전압 제어 발진장치가 구동되도록 구현할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 전압 제어 발진장치
110 : 에너지 보상 집적회로
120 : 분리 링 공진 인쇄회로기판
121 : 제 1 분리 링 공진기
123 : 제 2 분리 링 공진기
131 : 제 1 스위치
133 : 제 2 스위치
110 : 에너지 보상 집적회로
120 : 분리 링 공진 인쇄회로기판
121 : 제 1 분리 링 공진기
123 : 제 2 분리 링 공진기
131 : 제 1 스위치
133 : 제 2 스위치
Claims (7)
- 기판 상에 메타물질 특성의 분리 링 공진기가 제작된 분리 링 공진 인쇄회로기판과,
상기 분리 링 공진기의 공진 발진을 일으키기 위한 회로가 집적회로 형태로 제작된 에너지 보상 집적회로
를 포함하는 전압 제어 발진장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분리 링 공진기는, 음의 굴절률과 음의 투자율을 가지는
전압 제어 발진장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 에너지 보상 집적회로는, 부성 저항 회로를 더 포함하는
전압 제어 발진장치.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 에너지 보상 집적회로는, 크로스 커플링(cross-coupling) 된 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOS field-effect transistor, MOSFET)로 구현한
전압 제어 발진장치.
- 기판 상에 메타물질 특성을 가지는 복수의 분리 링 공진기가 제작되어 상기 복수의 분리 링 공진기가 각기 다른 주파수에서 동작하는 분리 링 공진 인쇄회로기판과,
상기 분리 링 공진기의 공진 발진을 일으키기 위한 회로가 집적회로 형태로 제작된 에너지 보상 집적회로와,
상기 복수의 분리 링 공진기 중에서 어느 하나의 분리 링 공진기가 상기 에너지 보상 집적회로에 의해 공진 발진을 일으키도록 스위칭 동작하는 복수의 스위치
를 포함하는 전압 제어 발진장치.
- 제 5 항에 있어서,
분리 링 공진 인쇄회로기판은, 각기 다른 주파수에서 동작하는 제 1 분리 링 공진기와 제 2 분리 링 공진기를 포함하며,
상기 복수의 스위치는, 상기 에너지 보상 집적회로와 상기 제 1 분리 링 공진기와의 사이에서 스위칭 동작하는 제 1 스위치와, 상기 에너지 보상 집적회로와 상기 제 2 분리 링 공진기와의 사이에서 스위칭 동작하는 제 2 스위치
를 포함하는 전압 제어 발진장치.
- 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치는 인버터를 통해 연결이 이루어진
전압 제어 발진장치.
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KR100981836B1 (ko) | 2008-04-14 | 2010-09-13 | 숭실대학교산학협력단 | 마이크로스트립 사각 개방 루프 다중 분할 링 공진기를 이용한 저위상 잡음 전압 제어 방법 |
KR101278030B1 (ko) | 2009-12-08 | 2013-06-21 | 숭실대학교산학협력단 | 메타전자파 구조 전송 선로를 이용한 높은 양호도 특성을 갖는 저위상 잡음 전압 제어 발진기 |
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