http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2011.22.11.1117
삼성탈레스(주) 레이더연구소(Samsung Thales Co., Ltd.) *한국폴리텍 Ⅶ대학(Korea Polytechnic VⅡ)
․논 문 번 호 : 20110908-099
․교 신 저 자 : 임주현(e-mail : [email protected])
․수정완료일자: 2011년 10월 31일
낮은 위상 잡음을 갖는 Ka 대역 밀리미터파 탐색기용 하이브리드 주파수 합성기
A Low Phase-Noise Ka-Band Hybrid Frequency Synthesizer for Millimeter Wave Seeker
임 주 현․한 해 진*
Ju-Hyun Lim․Hae-Jin Han*
요 약
본 논문은 Ka 대역 밀리미터파 탐색기용 주파수 합성기 설계 및 제작에 대한 논문이다. 위상 잡음과 주파수
해상도 및 불요파 특성을 개선하고자 DDS를 이용한 하이브리드 방식으로 구현하였다. 제안된 주파수 합성기는
대역폭 1 GHz, 주파수 스위칭 시간은 9 μs 이하, 불요파 특성 —68.9 dBc 이하, 위상 잡음 특성은 오프셋 100 kHz에서 —113.58 dBc/Hz, 평탄도는 ±0.7 dB 이하로 측정되었다.
Abstract
In this paper, we implemented a Ka-band frequency synthesizer for millimeter wave seeker. We improved frequency synthesizer performance of phase noise, resolution and spurious using the DDS driven hybrid method The proposed frequency synthesizer has the bandwidth of 1 GHz, frequency switching time of below 9 μs, suppressed spurious level of below —68.9 dBc. phase noise of —113.58 dBc/Hz at offset 100 kHz and flatness of ±0.7 dB.
Key words : Phase Noise, Switching Time, DDS, PLL, Spurious
Ⅰ. 서 론
밀리미터파란 자유 공간에서 주파수가30 GHz 이 상 300 GHz 이하의 범위로, 밀리미터(mm) 단위의 파장을 갖는 전자기파를 의미한다. 밀리미터파 대역 은 전통적으로 군사용으로 주파수가 할당되어12～
45 GHz 대역의 군사용 위상 통신 3～95 GHz 대역의 차량 탑재 군사용 레이더, 전자전 무기, 미사일 추적 장치 등이 연구되어 왔다.
이런 밀리미터파를 사용하는 레이더의 큰 장점은 표적의 형상까지도 구분할 수 있는 고 분해능, 각도 정확도와 작은 속도 변화도 감지할 수 있는 속도 정
확도를 들 수 있으며, 또한 파장이 마이크로파에 비 해 작기 때문에 소형 레이더를 구현할 수 있다는 점 이다. 반면에 주파수가 올라감에 따라 전력이나 잡 음 특성이 떨어지기 때문에 감지 거리가 짧아지는 경향이 있다[1].
밀리미터파의 이런 특징 때문에 본 논문에서 제 작하고자 하는 탐색기용 주파수 합성기에 적합한 주 파수 대역이라 할 수 있겠다. 예를 들어 동일 크기의 목표물이라고 가정할 경우, 수 밀리미터의 파장을 주파수를 신호원으로 사용하는 밀리미터파 탐색기 는 수 센티미터의 파장을 가지는Ku 밴드 탐색기에 비해 각도 정확도가 약2.3배, 공간상의 표적 정확도
환 루프를 통해 고주파의 출력 신호를 주파수 분배 하여 기준 신호와 비교하는 방식으로 우수한 불요파 특성을 갖는다는 장점이 있지만, 궤환 루프의 특성 상 동기시간 지연으로 빠른 주파수 도약 시스템에서 는 적합하지 않으며, 주파수 해상도 역시 높지 않다 는 단점이 있다.
반면, 디지털 주파수 합성 방식은 표본화 이론과 디지털-아날로그 신호 변환 기술로 출력 파형을 합 성하는 방식으로, 광대역에 사용 가능하며 발생 주 파수의 해상도 및 안정도가 뛰어나고, 변화가 연속 위상을 이루므로 코헤런트 통신이 가능하며, 천이시 간이 수ns～수백 ns로 짧아 빠른 주파수 도약 시스 템에 적합하다. 하지만 아날로그 방식에 비해 낮은 불요파 억압 특성과 주파수 합성 대역이 시스템 클 럭의1/2 정도로 제한되는 데다 현재까지 DDS(Direct Digital Synthesizer)의 시스템 클럭으로 동작할 수 있 는 최대 범위는3 GHz 이하이기 때문에 주파수 합성 범위가 저주파 대역으로 제한되는 단점을 가지고 있 다. 때문에 이를 극복하기 위한 방법으로 주파수 체 배기를 함께 사용해 높은 주파수 대역 체배시키는 방식을 사용하고 있다.
마지막으로 아날로그 주파수 합성 방식과 디지털 주파수 합성 방식을 혼용하는 하이브리드 방식은 각 각의 합성 방식의 단점을 보완하기 위한 방식으로서 낮은 위상 잡음, 높은 주파수 해상도 및 빠른 천이시 간을 갖는DDS를 이용하여 기준 신호를 생성 전압 제어 발진기와 위상 동기시키는 방법으로서 아날로 그 주파수 합성 방식의 장점과 디지털 주파수 합성 방식의 장점을 충족시킨다.
위와 같이 여러 가지 주파수 합성기 구현 방법 중 에서 탐색기와 같은 고성능의 레이더 시스템에서 적 용하는 주파수 합성기의 성능은 레이더의 탐지/추적
시스템 규격은 표 1과 같다.
제시된 표 1의 설계 규격을 만족할 뿐만 아니라 소형화를 목표로 그림1과 같이 시스템 블록을 구성 하였다.
표1의 규격을 만족하기 위한 그림 1의 세부 구성 을 살펴보면 첫 번째로 기준 신호 생성부는 진동에 대해 낮은G-sensitivity(5×10—10/g)를 갖는 40 MHz TC- XO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)에서 생성된 신호를 체배하여 기준 신호를 생성하였다.
표 1. 설계 규격
Table 1. Specification of design.
항목 목표 성능
출력 주파수 Ka 대역±500 MHz 출력 레벨 0 dBm±1.5 dB
주파수 간격 ≤10 MHz
스위칭 시간 ≤10 μs
위상 잡음
1 kHz —65 dBc/Hz 10 kHz —85 dBc/Hz 100 kHz —105 dBc/Hz
대역내 스퓨리어스 ≤—60 dBc
그림 1. 주파수 합성기 블록도
Fig. 1. Block diagram of frequency synthesizer.
그림 2. 계산된 LO2의 위상 잡음 Fig. 2 . Calculated Phase noise of LO2.
두 번째로DDS(DS872)[2] 클럭 주파수 생성을 위 한 LO2 합성부는 기준 신호 생성부에서 입력받은 기준 신호를 사용하여 아날로그Integer-N PLL 방식 을 사용하여 생성하였다. DDS의 출력 주파수 특성 은DDS의 입력 클럭에 의해서 영향을 받게 되므로 위상 고정시간은 고려하지 않고 최적의 위상 잡음을 만족하도록 설계되었다.
계산상의 위상 고정된LO2의 주파수 특성은 그림 2와 같으며, 설계된 루프 대역폭 40 kHz로 설정하였 다[3].
세 번째로 저역주파수 합성부는LO2 신호를 클럭 으로 사용하는 DDS 출력 주파수(fc±125 MHz, 주파 수step: 2.5 MHz)를 생성한다. 이렇게 생성된 DDS 출력 주파수를 동기 신호로 하는 하이브리드 형태의 Inter-N PLL을 구현하여 최종 출력 대역폭이 1 GHz 인 광대역 저역주파수 합성부를 구현하였다.
네 번째로 저역주파수 합성부에서 합성된 광대역 신호를PLDRO(Phase Locked Dielectric Resonator Os- cillator)에서 생성된 신호와 서브 하모닉 믹서를 통 해 혼변조하여 최종 LO1 신호를 생성하는데, 이때 LO1 신호의 출력 위상 잡음은 혼변조시 저역주파수 신호와 PLDRO 출력 신호의 위상 잡음과 비교했을 때PLDRO의 위상 잡음이 상대적으로 높은 위상 잡 음을 가지고 있으므로LO1 위상 잡음은 PLDRO 출 력 신호의 위상 잡음 특성을 따라 갈 것을 예측하였 다. 또한, 혼변조시 발생하는 혼합기의 비선형적 특 성에 의해서 발생하는 대역 외의 불요파를 제거하기 위하여 그림3과 같이 LO1 대역 통과 여파기를 설계 하였다.
그림 3. LO1 대역 통과 여파기 특성 Fig. 3. LO1 band pass filter characteristic.
그림 4. Tx 대역 통과 여파기 특성 Fig. 4. Tx band pass filter characteristic.
다섯 번째로 LO1 신호를 파형발생기로부터 들어 오는LFM, PT, FMICW 등의 레이더 파형 신호와 혼 변조하여 레이더 송신 신호로 상향 변환시켜주는 주 파수 상향부로 구성된다. 상향부 역시 혼변조시 발 생하는 대역외 불요파를 제거하기 위한Tx 대역 통 과 여파기를 그림 4와 같이 설계하였다.
마지막으로 탐색기의 수신경로의 오차를 보상하 기 위한 보정신호(대역폭: Ka 대역±500 MHz)를 발 생하는 잡음 보정 신호 발생부가 구성되어져 있다.
이렇게 설계된 주파수 합성기는DDS를 이용하였 기 때문에10 Hz 이하까지의 고해상도를 가질 뿐만 아니라 아날로그 주파수 합성기의 장점인 우수한 불 요파 특성 또한 만족할 수 있다.
(a) 윗면 (a) Top plane
(b) 밑면 (b) Bottom plane
그림 5. 제작된 주파수 합성기 사진
Fig. 5. Phase noise of implemented frequency synthe- sizer.
Ⅲ. 제작 및 측정 결과
그림5는 앞서 설계된 내용을 반영하여 실제 제작 된 사진이다. 주파수 합성기의 소형화를 위해 모듈 의 윗면과 밑면을 사용하는 구조를 사용하여 모듈의 크기를 소형화 하였으며, 제작된 크기는 170(W)×160 (L)×30(H) mm3이다.
그림 5를 살펴보면 윗면에는 전원부, 보정 신호 생성부 및 고주파 신호 생성부로 구성되어 있었다.
고주파 신호 생성부의 기판은Duroid 5880(T=5 mil) 을 사용하여 제작하였으며, 윗면의 고주파 송신신호 생성부의 부품 대부분이bare chip 타입이기 때문에 MMIC 조립 공정을 사용하여 조립하였다. 또한, bare
출력 레벨을 포화시켜 온도에 대한 변화를 줄였다.
밑면에는 FR4 기판을 사용하여 기준 신호 생성 부, LO2 신호 생성부, 디지털 제어부, 저역주파수 합 성부로 제작하였다.
그림 6은 Agilent사의 E5052A SSA(Signal Source Analyzer)로 측정된 기준 신호의 위상 잡음 특성이 다. 오프셋 3 MHz에서 위상 잡음이 급격히 떨어지 는 이유는TCXO의 신호를 체배한 다음 10 MHz 대 역폭을 갖는 대역여파기로 필터링하였기 때문이다.
다음으로 측정된LO2 신호의 위상 잡음은 그림 7 과 같다. 앞서 계산 결과 값과 측정 결과 값이 거의 같음을 확인할 수 있다.
그림 8은 저역 주파수 합성부의 위상 고정 시간 및 스위칭 시간을 측정한 결과이다. 인접 주파수대 역(10 MHz step)으로의 위상 고정 시간은 1 us 이하 로 측정되었으며, 상당히 빠른 시간이라고 판단되어 진다. 이는 저역 주파 합성부의 루프대역폭 설정시 위상 잡음 특성과 위상 고정 시간을 고려하여 1 MHz의 광대역으로 설정하였기 때문이다.
그림 6. 측정된 기준 신호 위상 잡음
Fig. 6. Measured phase noise of reference signal.
그림 7. 측정된 LO2 위상 잡음 Fig. 7. Measured phase noise of LO2.
그림 8 . 측정된 저역 주파수 합성부의 위상 고정 시간 Fig. 8. Measured lock time of low frequency band.
그림 9. 측정된 저역 주파수 합성부의 스위칭 시간 Fig. 9 . Measured switching time of low frequency band.
그림9는 주파수 간격이 가장 큰 1 GHz 대역을 움 직일 때의 스위칭 시간의 측정 결과이다. 8 us 이하
(a) 측정된 LO1의 평탄도 (a) Measured flatness of LO1
(b) 측정된 Tx의 평탄도 (b) Measured flatness of Tx
그림 10. 측정된 주파수 합성기의 출력 레벨 평탄도 Fig. 10. Measured flatness of output level.
그림 11. 측정된 LO1 위상 잡음 Fig. 11 . Measured phase noise of LO1.
로 측정되었다.
그림 10은 최종 출력에 대한 LO1 및 Tx 신호의
그림 12. 측정된 Tx 위상 잡음 Fig. 12. Measured phase noise of Tx.
(a) 대역내 불요파 특성 (a) In-band spurious characteristic
(b) 대역외 불요파 특성
(b) Out-band of spurious characteristic
그림 13 . 측정된 불요파 특성
Fig. 13. Measured spurious characteristic.
출력 레벨에 대한 평탄도 측정 결과이다. 1 GHz 대 역폭에서의 출력 레벨의 평탄도는 약 ±0.7 dB로서
그림 14 . 측정된 주파수 합성기의 스위칭 시간 Fig. 14. Measured switching time of frequency synthe-
sizer
목표 규격을 만족하는 성능을 보이고 있다.
그림11, 12 LO1 및 Tx의 위상 잡음은 ROHDE &
SCHWARZ 계측기 FSUP50를 사용하여 측정한 결과 이다.
그림 13은 주파수 합성기의 불요파 특성을 측정 한 결과이다. 측정 결과를 보면 대역 내에서는 약 —68.9 dBc의 불요파 특성을 가지며, 대역 외에서는 약 —63 dBc의 우수한 불요파 특성을 갖는 것을 확인하였다.
그림 14는 제작된 주파수 합성기의 최종 스위칭 시간을 Agilent 11970A 혼합기를 이용하여 측정한 결과이다. 측정 결과 약 9 μs 이하의 스위칭 시간을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로 표2에 최종 측정된 결과를 목표 성능 과 비교하여 나타내었다. 표에서 보듯이 목표 성능 을 모두 만족하였다.
표 2. 측정 결과 Table 2. Measured result.
항목 목표 성능 측정 결과
출력 주파수 Ka 대역±
500 MHz
Ka 대역±
500 MHz 출력 레벨 0 dBm±1.5 dB 0 dBm±0.7 dB 주파수 간격 ≤10 MHz ≤10 MHz
스위칭 시간 ≤10 μs ≤9 μs
위상 잡음
1 kHz —65 dBc/Hz —68.69 dBc/Hz 10 kHz —85 dBc/Hz —93.61 dBc/Hz 100 kHz —105 dBc/Hz —113.58 dBc/Hz 대역내 스퓨리어스 ≤—60 dBc ≤—68.9 dBc
표 3. 타 논문과의 성능 비교
Table 3 . The comparison of the performance other paper.
참고문헌 주파수
[GHz]
위상 잡음
[dBc/Hz] 스퓨리어스
[dBc]
대역폭 [MHz]
채널 간격 [MHz]
Lock
time 비고
@1 kHz @100 kHz
[4] 35 —83 - —62 400 40 <15 us
[5] 35 —94.6 - - 없음 - 없음
[6] 33 —80 —105 —57 4,300 162.5 MMIC
[7] 35.0 —48 —96 —43 500 8 <2 ms
This paper 3X.X —68.6 —113.5 —68.9 1,000 ≤10 <1 us 스위칭 시간
<9 us
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는Ka 대역 밀리미터파 탐색기용 주 파수 합성기를 설계하였다. DDS를 이용한 하이브리 드 방식을 이용하여 낮은 위상 잡음, 높은 주파수 해 상도와 불요파 특성과 고속 스위칭 시간을 만족하였 다. 이렇게 제작된 주파수 합성기의 특성이 기존의 제작 논문과 비교했을 때의 성능을 표3에 비교하여 보았다. 표에서 비교하였듯이 참고 문헌에 나와 있 는 주파수 합성기 대비 높은 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
향후에 본 주파수 합성기를 업그레이드하여 사이 즈를 더욱 소형화 하고, 5 us 이하의 더욱 빠른 스위 칭 시간을 갖도록 연구할 예정이며, 본 주파수 합성 기를 레이더 체계 및 유도탄 체계 등 다양한 시스템 에 적용하도록 할 예정이다.
참 고 문 헌
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2008년 5월.
[2] DS872, DS872 datasheet, Available : http://www.
euvis.com
[3] 임주현, 송성찬, "DAC를 이용한 Offset-PLL 설계 및 제작", 한국전자파학회논문지, 22(2), pp. 258- 264, 2011년 2월.
[4] M. Xiaohua, D. Hao, J. Chuangxin, and M. Fan, "A low phase-noise Ka-band frequency synthesizer", Mi-
crowave Conference Proceeding, pp. 1-3, 2011.
[5] M. S. Raj, M. Z. Straayer, and T. E, Collins, Ⅲ,
"An ultra-low phase-noise Ka-band tuneable frequ- ency synthesizer", Frequency Control Symposium, pp. 738-743, 2008.
[6] M. Zhan, P. Qiu, B. Yan, R. Xu, and W. Lin,
"LTCC BPFs used in Ka band LTCC frequency synthesizer module", Microwave Conference APMC, pp. 2508- 2510, 2009.
[7] 김현미, 양승식, 이만희, 염경환, "소형화된 Ka-대 역 주파수 합성기 모듈 설계 및 제작", 한국전자 파학회논문지, 18(5), pp. 511-521, 2007년 5월.
[주 관심분야] 신호처리, 반도체
