Design of a Low Phase Noise Voltage Tuned Planar Composite Resonator Oscillator Using SIW Structure

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「이 논문은 2013년 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(KRF-2013-022972).」

충남대학교 전파공학과(Department of Radio Science and Engineering, Chungnam National University)

․Manuscript received January 20, 2014 ; Revised March 14, 2014 ; Accepted March 31, 2014. (ID No. 20140120-008)

․Corresponding Author: Kyung-Whan Yeom (e-mail: [email protected])

ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

SIW 구조를 이용한 저 위상잡음 전압 제어 평판형 복합공진기 발진기 설계

Design of a Low Phase Noise Voltage Tuned Planar Composite Resonator Oscillator Using SIW Structure

이 동 현 ․손 범 익․염 경 환

Dong-Hyun Lee ․Beom-Ik Son․Kyung-Whan Yeom

본 논문에서는 저 위상잡음을 갖는 전압 제어 평판형 복합공진기 발진기(Vt-PCRO: Voltage-tuned Planar Composite Resonator Oscillator)를 설계, 제작하였다. 설계된 발진기는 공진기, 2개의 위상천이기, 증폭기로 구성된다. 공진기는 dual mode SIW(Substrate Integrated Waveguide) 공진기를 이용하여 구성하였으며, 약 40 nsec의 높은 군지연을 갖도록 하였다.

2개의 위상천이기 중(PS1, PS2: Phase Shifter 1 및 Phase Shifter 2) PS1은 360°의 위상천이량을 가지며, 제작된 발진기의 전송선로 길이에 관계없이 개루프 이득(open loop gain) 발진조건을 만족하도록 한다. PS2는 약 70°의 위상천이량을 가지 며 발진 주파수 조정용으로 사용된다. 증폭기는 제작 시 발생한 큰 삽입손실의 문제를 보완하기 위해 2단으로 구성하였 다. 개루프 이득 측정을 통해 발진 조건을 만족하는 PS1의 전압을 측정한 뒤, 폐루프로 구성하여 발진기를 구현하였다.

발진기 측정 결과, 5.345 GHz의 발진 주파수에서, 위상 잡음은 100 kHz offset 주파수에서 —130.5 dBc/Hz를 얻었다. 이때 출력 전력은 약 3.5 dBm, 전기적 주파수 조정 범위는 0～10 V의 조정 전압에서 약 4.2 MHz를 보였다.

Abstract

In this paper, we present a design and implementation of a Voltage-tuned Planar Composite Resonator Oscillator(Vt-PCRO) with a low phase noise. The designed Vt-PCRO is composed of a resonator, two phase shifters, and an amplifier. The resonator is designed using a dual mode SIW(Substrate Integrated Waveguide) resonator and has a group delay of about 40 nsec. Of the two phase shifters (PS1 and PS2), PS1 with a phase shift of 360° is used for the open loop gain to satisfy oscillation condition without regard to the electrical lengths of the employed microstrip lines in the loop. PS2 with a phase shift of about 70° is used to tune oscillation frequency.

The amplifier is constructed using two stages to compensate for the loss of the open loop. Through the measurement of the open loop gain, the tune voltage of the PS1 can be set to satisfy the oscillation condition and the loop is then closed to form the oscillator. The oscillator with a oscillation frequency of 5.345 GHz shows a phase noise of —130.5 dBc/Hz at 100 kHz frequency offset. The oscillation power and the electrical frequency tuning range is about 3.5 dBm and about 4.2 MHz for a tuning voltage of 0～10 V, respectively.

Key words: Oscillator, Phase Noise, SIW Resonator

Ⅰ. 서 론

마이크로파 발진기의 위상잡음은 마이크로파 발진기 를 통신시스템 및 레이더에 응용 시 시스템의 성능을 결 정짓는 중요한 파라미터이다. 따라서 우수한 위상잡음을 갖는 마이크로파 발진기의 설계는 매우 중요하며, 많은 연구자들에 의하여 연구된 바 있다^[1]. 이러한 마이크로파 발진의 위상잡음 특성은 주로 발진기를 구성하는 공진기 에 의하여 결정되게 된다. 따라서 위상잡음이 우수한 발 진기를 구성하기 위해서는 Q가 높은 공진기를 발진기 구 성에 사용하게 된다. 마이크로파에서 대표적으로 Q가 높 은 공진기로는 유전체 공진기(DR: Dielectric Resonator)가 있다. 그러나 유전체 공진기는 마이크로파 발진기를 구성 하는데 입체적인 집적방법을 요구하며, 별도의 부품으로 취급되는 단점이 있다. 이러한 유전체 공진기를 대체하는 방법으로 의사 유전체 공진기(ADR: Artificial Dielectric Re- sonator)를 이용하는 방법이 제시된 바 있다^[2]. 그러나 ADR 의 경우에도 평판형이기는 하지만 LTCC(Low Tempera- ture Co-fired Ceramics)와 같은 다층구조를 필요로 한다.

반면, 평판형 단일공진기의 경우, 집적의 용이성을 제공 하여 과거부터 많은 연구자들에 의하여 연구된 바 있다.

그러나 이러한 평판형 단일공진기는 품질계수가 일반적 으로 DR이나 ADR에 비하여 떨어져 우수한 위상잡음을 갖는 마이크로파 발진기를 구성하기 어렵게 된다.

최근 DR이나 ADR에 비하여 품질계수가 떨어지는 평 판형 단일공진기의 문제점을 보완할 수 있는 SIW(Subst- rate Integrated Waveguide) 구조의 공진기에 관한 연구가 활발하다^[3]～[5].

SIW 구조는 Metal Via를 양면 기판에 적용하여 기판에 도파관을 구현한 구조이다. 이 구조를 평판형 공진기에 적용하면 일반적인 마이크로스트립 구조의 공진기보다 높은 품질계수를 얻으면서, 집적의 용이성 또한 얻을 수 있다. SIW 구조는 일반적인 도파관과 같이 동일한 장축 에 의해 차단 주파수가 결정되고, 기본 모드도 TE¹⁰으로 동일하다. 하지만 TM 모드가 발생하지 않으며, 대역이 도파관에 비해 넓은 장점을 가진다.

따라서 본 논문에서는 DR, ADR 대신에 SIW 구조의 평판형 복합공진기를 갖는 발진기를 설계하였다. 이로서

공진기 집적의 용이성을 제공하였다. 발진기의 전체적인 설계는 참고논문 [6]의 개루프 설계 방법을 기반으로 하 였다. 또한, 참고문헌 [6]에서와 같이 개별 측정의 편의성 을 위해 웨이퍼 프로브를 이용하였다^[6]. 그러나 기존의 참고문헌 [6], [7]의 경우, 개루프 이득 발진조건을 만족시 키기 위해 특정길이의 전송선을 삽입하였다. 이는 정확한 길이를 계산하여야 하기 때문에 많은 불편을 초래한다.

이러한 문제점을 제거하기 위해 항상 발진조건을 만족시 킬 수 있도록 참고문헌 [8]의 360° 위상천이량을 갖는 위 상천이기를 하나 더 추가하였다. 이는 시뮬레이션과 측정 사이에서 발생할 수 있는 위상 오차로 인해 발진기 전체 의 회로를 재설계해야 하는 불편함을 제거해준다. 제작된 발진기는 SIW 공진기를 사용하고 두 개의 위상천이기를 삽입하였으나, 참고문헌 [7]의 유전체 공진기발진기의 비 견할만한 위상잡음, 100 kHz offset 주파수에서 약 —130 dBc/Hz 성능을 보이는 것을 확인하였다.

Ⅱ. 설계이론

그림 1에는 공진기, 증폭기와 2개의 위상천이기 PS1 및 PS2로 이루어진 발진기의 구조를 보였다. 이 구조는 기존구조인 참고문헌 [6], [7]에 비해 2개의 위상천이기를 사용하는 특징이 있다. 이 구조의 장점은 발진기를 구성 하는데 사용된 전송선로 길이와 관계없이 개루프 이득 발진조건을 전기적으로 만족하도록 해주는 점이다. 이 때 PS1은 참고문헌 [8]의 360° 위상천이기로서 개루프 이득 발진조건용이고, PS2는 참고문헌 [6]의 70° 위상천이기로 서 발진 주파수 조정용으로 사용된다. 개루프 측정은 그 림 1의 점선과 같이 폐루프를 절단하여 이루어진다. 발진 기의 출력은 커플러를 통해 얻게 된다.

발진기의 위상잡음은 Leeson 식 (1)과 같이 loaded,

_이 높을수록 위상 잡음 ^은 낮아진다. 또한, 

은 식 (2)와 같이 군지연과 비례관계를 가진다. 따라서 폐 루프 발진기의 위상잡음은 루프 군지연(^)이 높을수록 높은 품질 계수를 갖기 때문에 낮아지게 된다^[9],[10].

_  log



^







 _

_



 

 __ (2)

그림 1. 폐루프 전압제어발진기 구조

Fig. 1. Structure of closed-loop voltage tuned oscillator.

여기서 ^은 offset 주파수, ^는 중심 주파수를 나타내 며, 와 는 발진 출력 및 증폭부의 잡음지수를 의미한다.

따라서 발진기가 높은 ^를 갖도록 설계하면 저 위상 잡음을 가질 수 있다. 그림 2에는 참고문헌 [7]에서 얻은 개루프 이득의^에 따른 100 kHz offset 주파수에서 위상 잡음을 보였다. 그림 2는 임의의 기준발진기의 군지연^

와 100 kHz offset 주파수에서 위상잡음을 측정하여 알 경 우, 다른 부품을 그대로 두고 공진기만 대체할 경우 식 (1)을 이용하여 계산할 수 있게 된다. 그림 2는 이것을 나 타내고 있다. 이때 ^에 가장 크게 기여하는 부분은 공진 부이다. 따라서 공진부가 높은 군지연을 가지면 발진기가 높은 루프-군지연을 갖게 되고, 결과적으로 발진기는 저 위상잡음을 갖게 된다.

주목할 것은 참고문헌 [7]과 본 논문은 공진기의 차이 만 있고 다른 부품은 동일하므로 그림 2의 결과는 여전히 본 연구에서도 유효하게 된다. 차이점은 추가된 위상천이 기로 인한 잡음이나, 새로이 삽입된 360° 위상천이기의 잡음을 무시한다면, 그림 2의 위상잡음과 같게 될 것이다.

참고문헌 [7]에서 제작된 발진기는 유전체 공진기발진기 로써 중심주파수 5.3 GHz, 공진부의 군지연은 53 nsec를 가진다. 이 때의 위상잡음은 100 kHz offset 주파수에서

—132 dBc/Hz이다. 이 발진기에서는 높은 품질 계수를 갖 는 유전체 공진기를 사용하였고, 본 논문에서는 SIW 공 진기를 이용한다는 점을 감안하여, 필요한 공진부의 군지 연을 40 nsec 이상으로 설정하였다. 이때 위상잡음은 참 고문헌 [7]에서의 그림 2와 같이 100 kHz offset 주파수에 서 —125 dBc/Hz 이하로 예상된다.

그림 2. 군지연에 따른 위상 잡음 변화

Fig. 2. Phase noise variation with group delay.

따라서 본 논문에서는 두 개의 위상천이기를 갖고, 40 nsec 이상의 군지연을 갖는 SIW 구조의 평판형 복합공진 기를 설계하여, —125 dBc/Hz 이하의 위상 잡음을 갖는 평판형 복합공진기 발진기를 제작하여 성능을 검증하려 고 한다.

Ⅲ. 공진부 설계

3-1 공진부의 설계

그림 3에는 본 논문에서 설계된 SIW 구조의 평판형 복

그림 3. SIW 공진부 구조

Fig. 3. Structure of dielectric resonator.

합 공진기의 구조를 보였다. 그림 3의 구조가 정사각형에 가까울 경우, 같은 주파수에서 공진하는 두 개의 mode가 발생할 수 있게 된다. 즉, W 방향으로만 나타나는 정재파 와 L 방향으로만 나타나는 정재파는 공진주파수가 같게 된다^[10]. 이를 확장하면 W 방향 및 L 방향의 정재파 수를 교환할 경우, 공진주파수는 같은 것을 알 수 있다. 즉, TEm0n 모드에서 중심주파수^에 대한 cavity의 크기는 식 (3)을 통해 계산된다^[11].

_ 















식 (3)에서 m은 W 방향의 mode 수이며, n은 L 방향의 mode 수를 나타낸다. 따라서 W와 L의 길이가 같을 경우 TEm0n 모드 및 TE^n0m 모드의 공진 주파수가 같다는 것을 알 수 있다.

이 중 관심을 끄는 경우로 W 방향으로 2번, L 방향으로 1번 나타나는 정재파와 L 방향으로 2번, W 방향으로 1번 나타나는 공진 모드이다. 이 경우, 식 (3)을 통해 cavity의 크기를 결정할 수 있다. 그림 3은 TE¹⁰²와 TE²⁰¹두 모드를 이용한 dual mode SIW cavity 구조이다. 입출력은 TE¹⁰²와 TE201 두 모드를 여기하기 용이하게 설정되었다.

Dual mode SIW cavity 구조는 두 개의 pole과 하나의 전 달 영점을 가진다. 본 논문에서 설계된 공진기는 높은 품 질계수를 얻기 위해서 두 모드에 대한 각각의 pole을 근 접하도록 설계하였다. 두 개의 pole이 근접하면서 대역폭 이 줄어들게 된다. 주목할 것은 그림 3의 여파기는 2단 여 파기이기 때문에, 총 위상변화량은 결정되어 있다. 이 총 위상변화가 대역폭에서 대부분 발생하기 때문에, 대역폭 이 줄 경우 공진기 군지연은 올라가게 된다.

공진부의 Q는 SIW 공진기를 구성하는 도체 손실 및 유전체 손실, 그리고 via에 의한 불완전 차폐로 나타나는 방사 손실과 관련되게 된다. 그러나 도체손실의 경우, 기 판에 도포된 동박(copper clad)이 동일하기 때문에 공진기 의 크기에 관련되고, via 또한 구조가 선정되면 동일하기 때문에 같은 크기를 갖는 공진기에 대해서, Q는 주로 식 (4)와 같이 기판의 손실 탄젠트와 관계된다.

tan  



(4)

그림 4. 기판 두께 가변에 따른 품질계수 변화

Fig. 4. Quality factor variation with tuning substrate thick- ness.

식 (4)를 통해 높은 품질계수를 갖기 위해 낮은 손실 탄젠트를 갖는 기판을 선택하였다. 선택된 공진부의 기판 은 Polyflon Polyguide(유전율 2.32, 두께 125 mil, loss tangent =0.0005)이다.

그리고 그림 4는 Ansoft의 3D simulation tool인 HFSS를 이용하여 기판 두께에 대한 품질계수의 시뮬레이션 결과 이다. 유전체의 두께가 두꺼워질수록 품질계수가 높아지 는 것을 확인할 수 있다. 그림 4의 결과로부터 공진부에 서 높은 Q를 얻기 위해서 공진부의 기판의 두께를 두꺼 운 것을 선택하는 것이 유리할 것이다. 따라서 Polyflon Polyguide 기판 중 가장 두꺼운 두께인 125 mil로 선택하 였다.

공진부를 제외한 발진기 회로에서 사용된 기판은 Ro- gers사의 RO4003C(유전율 3.55, 두께 12mil, loss tangent = 0.0027)이다.

우선 시뮬레이션을 통해 공진기의 변수 W=L=42.13 mm로 중심주파수 5.3 GHz가 되도록 설정하였고, via hole 의 간격은 2.81 mm, _2.58 mm로 전체 cavity의 크기에 맞게 설정하였다. 입출력은 50 Ω 선로로써 ^ 9.1 mm로 설정하였다. ^ _는 반지름으로 각각 0.6 mm, 0.7 mm으로 설정하였다. 또한, ^  _0.5 mm로 고 정하였다. 변수 ^과^은 입출력 쪽의 결합도를 조정하 는데 사용하였다. 입출력 결합도를 조정할 경우, 공진기는 대역폭과 손실이 변하게 된다. 따라서, ^과^은 조절함

그림 5. _ 가변에 따른 삽입손실과 군지연의 변화 Fig. 5. Insertion loss and group delay variation with tuning

_.

으로써 원하는 공진기의 대역폭과 손실을 얻게 된다.

그림 5는 ^7.5 mm로 고정하고, ^을 가변했을 때 삽입손실과 군지연의 변화이다. ^0.3 mm일 때 55 nsec 이상의 높은 군지연을 얻을 수 있지만, 삽입손실이 12 dB 이상으로 크게 나오는 것을 확인할 수 있다. 공진 부의 삽입손실이 너무 클 경우, 개루프 이득이 0 dB 이상 이 되지 않을 수 있기에, 공진부의 손실은 제한된다.

참고논문 [6]에서 70° 위상천이기의 삽입손실이 2 dB, 증폭기 이득이 16 dB, 참고논문 [8]에서의 360° 위상천이 기의 삽입손실이 4～6 dB이다. 따라서 공진부의 손실은

그림 6. _ 가변에 따른 삽입손실과 군지연의 변화 Fig. 6. Insertion loss and group delay variation with tuning

_.

표 1. 공진부 설계 파라미터에 따른 발진기 성능 예측

Table 1. Estimation of oscillator performance with parame- ters of resonator.

구 분 값

_ 5.3 GHz

_ 0.4 mm

_ 7.5 mm

Group delay 40 nsec 이상

∆ 4.8 MHz

Phase noise

(100 kHz offset) —125 dBc/Hz 이하

8 dB 이하가 되어야 한다는 것을 알 수 있다. 따라서^

은 삽입손실이 8 dB 이하가 되고, 군지연이 40 nsec 이상 을 만족하는 0.4 mm로 설정하였다. 그림 6은 ^0.4 mm로 결정한 후 7.5 mm로 고정한^을 가변했을 경우에 대한 삽입손실과 군지연의 결과이다. ^7 mm 일 경우, 7.5 mm보다 높은 군지연을 얻을 수 있지만, 손실이 8 dB 보다 높아지는 것을 확인할 수 있고, 8 mm의 경우는 군 지연이 40 nsec보다 작아지는 것을 확인할 수 있기에

_7.5 mm로 설정하였다.

설계된 공진부의 설계 파라미터와 그림 2에서 확인할 수 있는 예상 위상 잡음, 참고문헌 [6]의 수식을 이용한 전기적 주파수 조정 범위(^)를 표 1에 보였다. 표 1로부 터 목표로 한 군지연과 위상잡음에 만족하는 결과를 얻 을 수 있는 것을 알 수 있다.

3-2 공진부 제작 및 측정

공진부는 발진기 특성에 가장 큰 영향을 준다. 따라서 발진기 설계에 앞서 제작하고 측정하여 그 특성을 확인 하였다. 그림 7은 제작된 공진부이고, 그림 8은 공진부의 측정된 S²¹을 보였다.

공진부의 측정은 SMA 커넥터를 연결하여, Agilent사의 N5230A 회로망 분석기를 이용하였다. 측정 결과는 설계 된 중심주파수 5.3 GHz에서 5.357 GHz로 57 MHz 이동하 였고, 삽입손실은 3.4 dB 커졌다. 이는 제작 공차로 발생 한 것이라고 생각된다. 증폭기 1단을 사용할 경우, 발진조 건을 만족하기 위하여 허용되는 공진기의 손실은 최대 8

그림 7. 제작된 공진부 Fig. 7. Fabricated resonator.

(a) 크기 특성

(a) Magnitude characteristic

(b) 위상 특성 (b) Phasor characteristic 그림 8. 측정된 공진부의 S21 특성

Fig. 8. The measured S21 characteristic of resonator.

dB이다. 이와 같이 증가된 손실을 보완하기 위해 증폭기 를 2단으로 사용하여 보완하였다.

군지연은 그림 8(b)의 위상기울기를 통해 구할 수 있 다. 계산된 군지연은 39 nsec로 시뮬레이션 결과, 40 nsec 에 비해 1 nsec의 차이를 보인다. 그러나 이 차이는 위상 잡음 면에서 큰 차이를 주지 않게 된다.

Ⅳ. 발진기 설계

증폭부는 HMC313 MMIC를 이용하여 구성하였다. 그 러나공진부 측정 후 발생한 손실의 문제를 해결하기 위 해 부득이하게 2단으로 구성하였다. 그림 9는 본 논문의 발진기에서 사용된 2단 증폭기 회로이다. 하나의 전원으 로 2개의 증폭기에 DC 전압을 공급할 수 있도록 구성하 였다. 2단 증폭기를 측정하는 과정에서, 그림 9의 바이어 스회로에 의한 루프 형성으로 인해 약 2 GHz에서 발진이 발생하였다. 이 발진성분을 제거하기 위해 bias단에 Mura- ta사의 BLM18BB470SN1 Chip ferrite bead를 사용하였다.

그림 9. 2단 증폭기 회로 Fig. 9. 2 stage amplifier circuit.

그림 10. 측정된 증폭기의 S-파라미터 Fig. 10. The measured S-parameter of amplifier.

그림 10은 그림 9의 2단 증폭기 회로를 측정한 결과이 다. 주파수 5.3 GHz에서 32 dB의 이득을 가지는 것을 확 인할 수 있다. 이는 1단 증폭기가 주파수 5.3 GHz에서 16.1 dB의 이득을 가지므로 만족되는 결과이다. 따라서 2 단 증폭기를 사용하여 이득을 높임으로써 공진부에서 발 생한 큰 삽입손실의 문제점을 보완하였다.

4-2 SIW 공진기 발진기 제작 및 측정

그림 11에 설계된 SIW 구조의 공진부를 바탕으로 평 판형 복합공진기 발진기 구성을 보였다. 그림 11에서 공 진부, 증폭부 그리고 두 개의 위상천이기로 이루어진 위 상천이부가 폐루프 구조를 이루고 있다. 위상천이기 PS1 은 개루프 이득 발진조건을 위한 360° 위상천이기이고, PS2는 주파수 조정을 위한 70° 위상천이기이다. 그리고 개루프 이득 측정을 위해 On wafer probe pad에 대응하는 CPW 구조를 적용하였다.

개루프 측정에 앞서, 공진부와 2개의 위상천이기, 증폭 부의 개별 측정을 위해 각각의 입출력 포트에 CPW 구조 가 적용되었으며, 각 부는 격리되어 있다. 각 부품은 Agilent사의 N5230A 회로망 분석기를 이용하여 측정이 이루어졌으며, 각 부품들의 개별 측정이 완료되면 개루프 이득 측정점을 제외한 모든 측정점은 0 ohm 저항으로 연 결된다.

그림 11. 개루프 S-파라미터 측정을 위한 layout

Fig. 11. Layout for measurement of open-loop S-parameter.

그림 12. 측정된 전체 개루프 S-파라미터 Fig. 12. The measured total open-loop S-parameter.

그림 13. 제작된 SIW 공진기 발진기(88×72×8 mm³) Fig. 13. Fabricated SIW resonator oscillator(88×72×8 mm³).

그림 12에 개루프 측정 결과를 보였다. 이 때 360° 위상 천이기 PS1의 조정 전압은 개루프 이득 발진 조건을 만족 하도록 3.47 V로 설정하였다. 발진 주파수 조정을 위해 사용되는 70° 위상천이기 PS2의 조정 전압은 주파수 조 정 범위의 중앙값이 되도록 5 V로 설정하였다.

중심주파수 5.345 GHz에서 S²¹의 크기가 0 dB 이상이 고, 위상이 0°이므로 발진조건을 만족하는 것을 알 수 있 다. 개루프 측정 후 개루프 측정지점을 0 ohm 저항으로 연결하고, 발진기를 폐루프로 구성한다. 제작된 폐루프 구조의 발진기를 그림 13에 보였다.

그림 14에는 그림 13에 보인 발진기의 PS1 조정전압 3.47 V, PS2 조정전압 5 V에서 발진출력의 스펙트럼을 보

그림 14. 발진 출력 스펙트럼

Fig. 14. Spectrum of the oscillation power.

였다. PS1 조정전압이 2～5 V일 때 발진은 형성되었으며, 다른 전압에서는 발진이 형성되지 않았다.

그림 15에는 Agilent사의 E5052A 신호원 분석기를 이 용한 발진기 측정 결과를 보였다. 그림 15(a)에는 70° 위 상천이기 PS2의 조정 전압에 따른 주파수 조정 특성, (b) 에는 조정 전압 5 V에서의 위상 잡음 특성, (c)에는 조정 전압이 변할 때 일정 주파수 offset에서의 위상 잡음의 변 화를 보여주고 있다.

전기적 주파수 조정 범위는 약 4.2 MHz임을 알 수 있 다. 이 때 360° 위상천이기 PS1의 조정 전압은 개루프 이 득 측정에서 설정된 3.47 V이다.

위상 잡음 특성은 100 kHz의 offset 주파수에서 —130.5 dBc/Hz로 측정되었다. 이 결과는 표 1에서 예측한 결과를 만족함을 알 수 있다.

조정 전압이 변할 때, 발진 주파수가 변화하더라도 위 상 잡음이 평탄함을 알 수 있다. 이는 위상천이기를 사용 하여 발진 주파수를 조정하는 방법의 장점으로 참고문헌 [6]에서 설명된 바 있다. 이는 발진 주파수가 변화하더라 도 품질계수가 일정하기 때문이다. 본 연구도 동일한 구 조를 사용하기 때문에 이러한 속성이 나타나게 된다. 출 력 전력은 주파수 조정 전압 5 V에서 3.5 dBm이 측정되 었다.

그림 16에는 PS2의 전압을 5 V로 고정하고, PS1의 조 정 전압을 가변했을 때의 결과이다. 그림 16(a)에는 PS1의 조정 전압에 따른 주파수 조정 특성, (b)에는 조정 전압이

(a) 주파수 조정 특성

(a) Frequency tuning characteristic

(b) 위상 잡음 특성 (b) Phase noise characteristic

(c) 에서의 위상 잡음 특성 (c) Phase noise characteristics at ∆

그림 15. 폐루프 측정 결과

Fig. 15. The measured closed-loop results.

(a) 주파수 조정 특성

(a) Frequency tuning characteristic

(b) 에서의 위상 잡음 특성 (b) Phase noise characteristics at 

그림 16. 360도 위상천이기 조정 전압에 따른 특성 Fig. 16. Characteristic with 360 degree phase shifter tuning

voltage.

변할 때 10 kHz와 100 kHz offset 주파수에서의 위상 잡음 의 변화를 보여주고 있다. PS1의 조정 전압이 2～5 V일 때 발진하였고, 이 외의 조정 전압에서는 위상 발진 조건 을 만족하지 않아 발진하지 않는 것을 확인하였다. 그림 16(a)로부터 전기적 주파수 조정 범위는 약 7.7 MHz임 을 알 수 있다. 그림 16(b)에서 PS1의 조정 전압이 2.5～

4.5 V일 때 offset 주파수 100 kHz에서 목표한 위상잡음은

—125 dBc/Hz 이하를 만족하는 것을 알 수 있다. 이 결과 는 PS1의 조정전압이 발진조건을 만족시키는 전압에서

± V의 범위 내에서 —125 dBc/Hz 이하의 위상잡음을 가진다는 결론을 내릴 수 있다.

표 2. 참고문헌 [6]과의 성능 비교

Table 2. Performance comparison with reference^[6].

구 분 _

[GHz]

∆

[MHz]

Phase noise (100 kHz offset)

[dBc/Hz]

본 연구 5.345 4.2 —130.5

참고문헌 [6] 5.3 5 —132.7

표 3. SIW 공진기발진기 성능 비교

Table 3. Performance comparison of SIW resonator oscillator.

구 분 _

[GHz]

PN(1 MHz offset) [dBc/Hz]

5.345 GHz로 체배된 위상잡음

본 연구 5.345 —152.3 —152.3

참고문헌 [11] 11.163 —125.1 —137.9

참고문헌 [12] 10 —105 —115.9

참고문헌 [13] 9.5 —117 —127

참고문헌 [14] 12.4 —122 —136.6

표 2에는 본 연구의 발진기와 참고문헌 [7]의 DRO의 성능을 보였다. 본 연구의 평판형 복합공진기 발진기가 참고문헌 [7]의 DRO 성능에 크게 떨어지지 않는 성능을 가지는 것을 알 수 있다.

표 3에는 SIW 구조의 공진기를 이용한 다른 발진기들 과 성능을 비교하였다. offset 주파수 1 MHz를 기준으로 위상잡음을 비교하였다. 정확한 비교를 위해 참고문헌들 의 위상잡음 결과를 본 논문의 중심주파수로 체배하였다.

위상잡음의 비교 결과, 본 연구의 발진기가 가장 우수한 위상잡음 특성을 가짐을 알 수 있다.

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 SIW 구조의 평판형 복합공진기를 이용 하여 저 위상잡음을 갖는 전압 제어 평판형 복합공진기 발진기를 설계, 제작하였다. 평판형 구조의 공진기가 높 은 군지연을 갖도록 하기 위해 낮은 손실 탄젠트와 두꺼 운 두께를 갖는 기판에 SIW 구조를 적용하고, 이를 dual mode로 설계하였다. 그리고 발진기의 구조적인 특징으로 개루프 이득 발진 조건용 위상천이기와 주파수 조정용 위상천이기, 총 위상천이기 2개를 사용하였고, 공진기의

제작 시 발생하는 큰 손실을 보상하기 위해 증폭기를 2단 으로 설계하였다. 제작된 발진기는 개루프 S-parameter 측 정 결과, 발진 조건을 만족하였다. 폐루프 측정 결과, 70°

위상천이기 PS2의 주파수 조정 범위는 0～10 V 조정 전 압에서 약 4.2 MHz, 위상 잡음은 100 kHz의 offset 주파수 에서 —130.5 dBc/Hz, 출력 전력은 3.5 dBm으로 측정되었 다. 이때의 개루프 이득 발진조건을 만족하는 PS1의 조정 전압 3.47 V이다. 그리고 PS2의 조정전압 5 V에서 360°

위상천이기 PS1의 조정 전압 2.5～4.5 V에서 주파수 조정 범위 약 7.7 MHz, 위상 잡음은 100 kHz의 offset 주파수에 서 —125 dBc/Hz 이하로 측정되었다. 이 결과로부터 제작 된 전압 제어 평판형 복합공진기 발진기가 유전체 공진 기 발진기에 견줄 수 있는 성능을 가짐을 알 수 있고, 비 교를 통해, 본 연구의 발진기가 우수한 위상잡음 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

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이 동 현

2013년 2월: 충남대학교 전파공학과 (공학 사)

2013년 3월～현재: 충남대학교 전파공학 과 석사과정

[주 관심분야] 초고주파 능동회로

손 범 익

2012년 2월: 충남대학교 전자전파정보통 신공학과 (공학사)

2012년 3월～현재: 충남대학교 전파공학 석사과정

[주 관심분야] 초고주파 능동회로 및 시 스템 설계

염 경 환

1976년～1980년: 서울대학교 전자공학과 (공학사)

1980년～1982년: 한국과학기술원 전기 및 전자과 (공학석사)

1982년～1988년: 한국과학기술원 전기 및 전자과 (공학박사)

1988년 3월: 금성전기(주) 소재부품 연구 소 선임연구원 (MIC팀 팀장)

1990년 3월: 금성전기(주) 소재부품연구소 책임연구원 1991년 5월: 금성정밀(주) 기술연구소 연구1실 책임연구원 1991년 8월: (주) LTI

1995년 10월～현재: 충남대학교 전파공학과 교수 [주 관심분야] 초고주파 능동회로 및 시스템, MMIC 설계