* 종신회원 : 신라대학교 전자공학과([email protected]) 접수일자 : 2012. 07. 20 심사완료일자 : 2012. 10. 15
발진기의 설계 및 구현
김기래*
Implementation and Design of the Voltage Controlled Oscillator Using Ring type DGS Resonator
Girae Kim*
요 약
평면형 마이크로스트립 공진기를 이용한 고주파 발진기의 단점인 위상잡음 특성을 개선하기 위해 본 논문에서 는 링형 DGS 공진기를 제안하고, 이것을 이용하여 위상잡음 특성이 개선된 5.8 GHz 대역의 발진기를 설계, 구현하 였다. 링형 DGS 공진기는 50
전송선로 밑면에 링 모양으로 식각된 접지면을 갖는 구조이다. 발진기의 특성은 5.8 GHz 기본 주파수에서 6.1 dBm의 출력과 -82.7 dBc@100kHz의 위상잡음 특성을 나타내었다. 제안된 DGS 공진기의 에칭된 갭 사이에 버랙터 다이오드 실장하여 전압제어 발진기를 설계하였다. 본 논문의 발진기는 평면형 구조로 쉬 운 작업공정과 소형화 특성 때문에 MIC 또는 MMIC 분야의 발진기 설계에 응용될 수 있을 것이다.
ABSTRACT
In this paper, a novel resonator using ring type DGS is proposed for improvement of phase noise characteristics that is weak point of oscillator using planar type microstrip line resonator, and oscillator for 5.8 GHz band is designed using proposed DGS resonator. The ring type DGS resonator is composed of DGS cell etched on ground plane under 50 microstrip line. At the fundamental frequency of 5.8 GHz, 7.6 dBm output power and -82.7 dBc@100kHz phase noise have been measured for oscillator with ring type DGS resonator. We designed the voltage controlled oscillator using proposed the DGS resonator with varactor diodes placed between gaps of DGS. Thus, due to its simple fabrication process and planar type, it is expected that the technique in this paper can be widely used for low phase noise oscillators for both MIC and MMIC applications.
키워드
공진기, 링형 결함 접지면 구조, 전압제어 발진기, 위상잡음, MMIC
Key word
Resonator, Ring type DGS, VCO, Phase Noise, MMIC
Ⅰ. 서 론
위성 통신 및 방송시스템을 비롯한 여러 통신 시스템 에서 발진기의 주파수 불안정과 높은 위상잡음 특성은 아날로그 수신기의 신호대 잡음비(SNR)를 감소시키고 디지털 통신 시스템의 오율을 높이며 채널간의 간격을 제한시키게 되는 원인이 된다[1,2]. 이같이 발진기의 특 성은 통신 시스템 성능에 큰 영향을 주기 때문에, 낮은 위상잡음과 높은 주파수 안정도를 가지는 발진기를 구 현하기 위해서는 1/f 잡음특성이 우수한 능동소자와 높 은 양호도의 공진기를 필요로 하게 된다[3,4]. 많이 사용 되는 LC공진기나 마이크로 스트립 선로 공진기의 경우 주파수가 올라 갈수록 소자의 양호도(Q) 값이 크게 감소 하고 삽입손실이 커지는 경향이 있다. 초고주파 발진기 의 발진 주파수를 결정하는 소자에 대한 연구가 높은 Q 값과 공진기의 크기를 줄이는 관점에서 캐비티 공진기, 마이크로스트립 공진기, 유전체 공진기 분야로 나누어 져 이루어졌다. 캐비티 공진기는 Q값이 크고 제작이 용 이한 장점이 있지만 부파가 크고 무겁기 때문에 집적화 가 곤란한 단점을 가지고 있고 마이크로스트립 공진기 는 평면구조로 소형이고 회로 구현이 용이하지만 낮은 Q값으로 인해 발진기의 위상잡음 특성이 나쁜 단점을 가지고 있다[5].
유전체 공진기는 회로 구현이 용이하고 높은 Q값, 소 형화, 온도 안정화 특성이 우수한 장점을 가지고 있지만 구조가 3차원으로 되어 있기 때문에 MMIC에 부적합한 단점이 있다[6]. 본 논문에서는 특정 주파수에서 대역저 지 특성을 갖는 결함접지면 구조(DGS)를 이용해 MMIC 에 부적합한 유전체 공진기의 단점과 낮은 Q값으로 인 해 발진기의 위상잡음이 떨어지는 평면형 마이크로스 트립 공진기의 단점을 보완하여 발진기의 위상잡음 특 성을 개선하기 위해 평면 구조로 대역저지 특성을 갖는 새로운 형태의 링형 DGS 공진기를 제안하였다. 제안된 DGS 공진기에 버랙터 다이오드를 추가하여 전압제어 발진기를 설계, 제작하였다.
Ⅱ. DGS 주파수 가변 공진기
DGS 구조는 평면형 전송선로의 접지면에 식각된 한
함 배열을 갖는 PBG 구조에 비해 주기적 배열이 없이도 동일한 특성을 얻을 수 있는 구조이다[7]. DGS는 전송 선로의 유효 인덕턴스를 증가시켜 같은 폭의 마이크로 스트립 전송선로보다 큰 임피던스를 갖는다. 일반적인 DGS는 구조적으로 칩 저항, 인덕터, 커패시터, 그리고 트랜지스터와 같은 외부 집중소자와의 결합이 용이한 구조적 특징을 갖는다[8,9].
(L=40, B=30, w=2.3, d=1, r=20mm) 그림 1. 5.8GHz, DGS 공진기 Fig. 1 DGS Resonator for 5.8GHz
그림 1은 제안된 링형 DGS 공진기 구조를 5.8GHz의 발진기에 적용할 수 있도록 설계한 구조를 보여주고 있 다. 또한 설계된 공진기의 시뮬레이션 결과는 그림 2에 나타내었다. 설계된 구조는 비유전율 2.2, 유전체 두께 0.7874mm, 금속 두께 0.018mm인 기판에 대해 도체손실 은 고려하지 않고 HFSS를 사용하여 시뮬레이션 하였다.
이 결과를 통해 5,8 GHz에서 공진이 일어나는 DGS 공진 기의 구조를 찾을 수 있다.
그림 2. 공진기의 시뮬레이션 결과 Fig. 2 Simulation Result of Resonator
5.8 GHz에서 공진이 일어나는 그림 1의 DGS 공진기
패시터를 추가한 구조를 그림 3에 나타내었다. DGS 공 진기 구조의 밑면에 있는 DGS 갭에 커패시터를 추가한 것이다.
그림 3. 커패시터를 추가한 DGS 공진기 Fig. 3 DGS Resonator with Lumped Capacitor
그림 4는 그림 3과 같은 구조에서 각 커패시터의 값에 따른 공진주파수 변화를 나타내었다. 삽입된 커패시터 의 값이 커질수록 공진주파수는 더욱 낮아지게 됨을 알 수 있다. 이것은 DGS의 기본적인 커패시턴스 값에 병렬 로 집중소자 커패시턴스가 더해져서 전체 커패시턴스 가 증가됨으로 공진주파수를 떨어뜨리는 것이다.
그림 4. 링형 DGS 공진기에 커패시터의 영향 Fig. 4 The Effect of Capacitance in Resonator
Ⅲ. DGS 발진기 설계
그림 5는 일반적인 마이크로스트립 선로 공진 기를 이용한 발진기의 기본 구조를 나타내었다. 본 논 문에서는 그림 5의 기본 구조에서 발진기의 위상잡음 특성을 개선하고 길이를 단축하기 위해 링형 DGS 공진 기를 이용하여 그림 6과 같이 발진기의 구조를 제안하 였다. 이 회로구조에서 FET의 게이트 단을 바라본 반사
계수가 최소가 되도록
을 최적화하고, 공진기의 결 합선로 길이
를 조절함으로써 발진 주파수를 쉽게 조 절할 수 있도록 부성저항 대역폭을 충분히 넓게 설계하 였다.
그림 5. 마이크로스트립 발진기의 기본 구조 Fig. 5 Structure of Microstrip Resonator
그림 6. 제안된 링형 DGS 발진기의 구조 Fig. 6 Structure of Ring type Resonator
발진기를 설계하기 위해서는 잠재적 불안정 영역을 가질 수 있는 트랜지스터를 선택해야 한다. 본 논문에서 는 Agilent사의 ATF 13786을 사용하였다. 선정한 트랜지 스터의 정상적인 동작을 위해 트랜지스터에 적절한 바 이어를 주는 과정은 매우 중요하다. 바이어스 회로의 구 현에는 그림 7(a)과 같은 구조를 사용하였고, 그림7(b)에 는 그것의 특성을 나타내었다.
(a) (b)
그림 7. 바이어스 회로(a)와 특성(b)
Fig. 7 Bias Circuits(a) and Characteristics(b)
발진기를 제작하기 전에 발진가능성을 검증하기위 해 ADS를 이용하여 시뮬레이션 하였다. 그림 8에는 ADS용 발진기 회로도이며, 그림 9는 발진특성을 나타내 는 결과를 보여주고 있다. 결과를 보면 5.8 GHz에서 기 본 발진이 되고 있음을 알 수 있다.
그림 8. 발진 가능성 조사 시뮬레이션 Fig. 8 Simulation for Oscillation
그림 9. 발진기 시뮬레이션 결과 Fig. 9 Simulation Result of Oscillator
그림 6의 제안된 링형 DGS 구조는 시뮬레이션 결과 5.8 GHz에서 정확한 발진을 나타내고 있음을 확인하였 다. 이 구조를 이용하여 전압제어 발진기(VCO)를 설계 하기 위해 제안된 구조에 전압에 따라 커패시턴스 값이 변하는 버랙터 다이오드를 추가하였다. 설계에서 버랙 터 다이오드는 Skyworks사의 SMV1233 모델을 사용하 였다. 그림 10은 SMV1233의 전압에 대한 커패시터 값을 측정하여 나타내었다. 그림 11은 링형 DGS 공진기에 버 랙터 다이오드 SMV1233을 삽입한 구조를 나타내었다.
그림 10. 전압에 따른 커패시턴스 Fig. 10 Capacitance for Bias Voltage
그림 11. 버랙터 다이오드를 추가한 공진기 Fig. 11 Resonator with Varactor Diode
그림 12. 설계된 전압제어 발진기의 구조 Fig. 12 Voltage Controlled Oscillator
그림 11에서 버랙터 다이오드의 삽입 위치는 기판 밑 에 링 형태로 식각된 DGS위에 버랙터 다이오드를 삽입 한 구조이다. 그림 12는 설계한 전압제어 발진기의 구조 를 나타내었다.
Ⅳ. 발진기 제작 및 측정
그림 12와 같이 설계한 전압제어 발진기의 구조를 마
이크로스트립 선로 구조의 평면형 발진기를 제작하였
(a)
(b)
그림 13. 제작된 전압제어 발진기 사진 (a) 윗면 (b) 밑면
Fig. 13 Photograph of Fabricated VCO (a) Top Side (b) Bottom Side
설계한 전압제어 발진기에서 버랙터 다이오드를 추 가하지 않은 링형 DGS 발진기의 스펙트럼 측정 결과는 그림 14와 같이 5.8 GHz에서 +6.1 dBm의 출력을 나타내 었다.
그림 14. 기본 발진기 출력 측정 결과 Fig. 14 Test Result of Basic Oscillator
설계한 링형 DGS 발진기에 한 개의 버랙터 다이오드 를 추가하고 거기에 바이어스 전압을 인가하면 출력 주 파수가 변하였다. 그림 15에는 대표적인 4개의 인가전압 에 대해 발진기의 스펙트럼 출력을 나타내었다. 그림 16 에는 버랙터 다이오드를 1개 또는 2개를 삽입했을 경우, 바이어스 전압에 따른 전압제어 발진기의 출력 주파수 를 측정하여 나타내었다.
(a) (b)
(c) (d)
그림 15. 바이어스 전압에 따른 VCO 특성 (a) Bias 0V (b) Bias 5V(c) Bias 10V (d) Bias 15V
Fig. 15 VCO Characteristics for Bias Voltage (a) Bias 0V (b) Bias 5V(c) Bias 10V (d) Bias 15V
그림 16. 전압에 따른 VCO 출력 주파수
Fig. 16 Output Frequency of VCO for Bias
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 공진부에 링형 DGS 구조를 사용하여 전압제어발진기를 설계하였다. 5.86 GHz에서 +6 dBm 의 출력을 갖는 링형 DGS 발진기에 버랙터 다이오드를 삽입하여 전압제어발진기를 설계하였다. 제어전압을 0
∼5V 까지 바이어스 했을 때 출력주파수는 최소 5.833 GHz에서 최대 5.845 GHz 까지 125 MHz 정도의 튜닝범 위를 가진다. 제작된 발진기는 -118∼-115.5 dBc/Hz@
100 KHz의 위상잡음 특성을 갖는다. 본 연구에서 제안 한 두 종류의 전압제어 발진기는 MMIC 기술을 적용하 여 소형화하게 되면, VCO의 주파수 가변대역폭이 넓기 때문에 5.8 GHz대역 ISM 통신시스템에서 PLL 회로에 응용될 수 있다.
참고문헌
[1] 1 and 2 Stage 10.7 to 12.7GHz Amplifiers Using the AFT-36163 Low Noise PHEMT, Agilent technology Application Note, AN1091.
[2] M. Floch and L. Desclos, "Technique allows simple design of microwave DRSs," Microwaves RF, pp 107-112, Mar. 1995
[3] A.P.S. Khanna, "Picking devices for optimum DRO performance," Microwaves RF, pp. 179-182, May 1992 [4] Moon-Que Lee, Keun-Kwan Ryu, and In-Bok Yom,
"Phase Noise Reduction of Microwave HEMT Oscillators Using a Dielectric Resonator Coupled by a High Impedance Inverter", ETRI J., vol.23, no. 4, pp.199- 201, Dec. 2001.
[5] K. Hosoya, S. Tanaka, Y. Amamiya, and K. Jonjo, "A low phase noise 38 GHz HBT MMIC oscillator utilizing a novel transmission line resonator", in 2000 IEEE MTT-S Dig. pp.47 -50, 2000.
[6] 박영배, 김기래, “위상특성을 이용한 공진기의 외적 양호도(Qe) 추출 방법”, 한국해양정보통신학회논문 지, 제15권 10호, 10, 2011.
[7] Gi-Rae Kim, “Miniatured Planar Bandpass Filter Using Coupled Metamaterial Resonators”, International Journal of Information and Communication Engineering, vol. 9,
no. 3, pp. 256-259, 2011.
[8] Tangyao Xie, Girae Kim, Youngkyu Choi, “A Study on the Novel Rectangular Split Ring Notch Resonators”, International Journal of Information and Communication Engineering, vol. 8, no. 4, pp. 365-369, 2010.
[9] Gi-Rae Kim, “Design of Coupled Resonators Bandpass Filter With Defected Ground Structure”, International Journal of Information and Communication Engineering, vol. 9, no. 2, pp. 150-154, 2011.
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