DOI : 10.5515/KJKIEES.2011.22.3.292
「이 논문은 2010년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업(2010-0015301) 및 Global Research Network Program 사업(KRF-2009-220-D00074)의 지원을 받아 수행된 것임.」
삼성탈레스 통신연구소(Communication R&D Center, Samsung Thales)
*고려대학교 컴퓨터․전파통신공학과(Department of Radio Communication Engineering, Korea University)
**순천향대학교 정보통신공학과(Department of Information and Communication Engineering, Soonchunhyang University)
․논 문 번 호 : 20100916-134
․교 신 저 자 : 한상민(e-mail : [email protected])
․수정완료일자: 2011년 1월 14일
광대역 응용을 위한 2.4 GHz 대역 전압 제어 주입 동기 발진기 설계
Voltage Controlled Injection-Locked Oscillator Design at 2.4 GHz Band for Wideband Applications
윤원상․이훈성*․이희종**․표성민*․김영식*․한상민** Won-Sang Yoon․Hun-Sung Lee*․Hee-Jong Lee**․Seongmin Pyo*․
Young-Sik Kim*․Sang-Min Han**
요 약
본 논문에서는 전압 제어 특성을 이용하여 광대역에서 사용 가능한 주입 동기 발진기를 제안하였다. 주입 동기 발진기의 공진 회로에 바렉터 다이오드를 포함시켜 다이오드의 바이어스 전압을 제어하여 자유 발진 주파 수를 가변 가능하도록 하였으며, 이를 통해 주입 동기 신호의 입력 레벨이 낮더라도 광대역에서 동작이 가능하 도록 하였다. 제안된 주입 동기 발진기는 0.8 mm 두께를 갖는 FR-4 기판을 사용하여 제작되었으며, 0～5 V의 제어 전압을 주어졌을 때, 자유 발진 주파수는 2.39～2.52 GHz로 가변이 가능하였다. 주파수 고정시 —10 dBm
의 입력 신호 레벨에서 주파수 동기 범위가50 MHz 이상이며, 주파수 가변을 통해 —30 dBm의 낮은 주입 신호
레벨에서 90 MHz의 주파수 동기 범위를 얻을 수 있었다.
Abstract
In this paper, a voltage controlled injection-locked oscillator(VC-ILO) is proposed for wideband applications. From the control of the free-running frequency by a varactor diode, the wide frequency locking range can be obtained for low-level injected signals. The proposed VC-ILO is implemented on an FR-4 substrate with a thickness of 0.8 mm.
The free-running frequencies of the oscillator is 2.39～2.52 GHz at the control voltage of 0～5 V. While the frequency locking range of over 50 MHz is presented for —10 dBm injected signal level at a fixed frequency, the locking range of over 90 MHz can be achieved for —30 dBm by controlling the free-running frequency.
Key words : Injection-Locked Oscillators, Injection-Locking, Voltage-Controlled Oscillators, Varactor Diodes
Ⅰ. 서 론
최근의 무선통신 시스템은 급속히 증가하는 주파 수 수요와 데이터 전송량의 증가로 인하여 주파수
분할 다중 접속, 광대역 특성 및 고효율 특성이 요구 되며, 이에 따라 광대역 특성을 갖는 고안정 신호원 사용이 필수적이 되었다. 일반적으로 위상동기 루프 (Phase-Locked Loop: PLL)를 이용한 주파수 합성기
(Frequency Synthesizer: FS)가 주파수 분할 다중 접속 무선 시스템의 국부 발진기(Local Oscillator: LO) 신 호로서 사용되고 있으나, 위상 동기 루프 주파수 합성 기는 전압 제어 발진기, 위상 검출기, 주파수 분주기 등 많은 소자를 포함하여 복잡도가 높고, 가격이 비 싼 단점이 있다[1],[2]. 이에 비해 주입 동기 발진기(In- jection-Locked Oscillator: ILO)[3],[4]는 위상 동기 루프 주파수 합성기에 비해서 구조가 간단하고, 낮은 가 격으로 구현할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 주입 동기 시 발생하는 비선형 특성을 이용하여 주파수 분주기나 주파수 체배기로서 많이 활용되고 있으
며[5],[6], 주파수 체배 분주나 체배 특성과 결합하여
주파수 합성기로도 제안되었다[7]. 또한 주입 동기 발 진기의 바이어스 전압을 주기적으로 조정하였을 때, 주입 신호의 유무에 따라 steady-state에 이르는 시 간의 차이를 이용하여 super-regenerative oscillator (SRO)로 활용될 수 있다[8],[9]. 하지만, 일반적인 주입 동기 발진기의 경우 주파수 동기 범위가 주입 동기 신호의 크기에 비례하기 때문에, 광대역의 동작 특 성을 갖게 하기 위해서는 주입 신호를 증폭하여야 하며, 이로 인해 전력 소모량 및 사이즈가 증가되는 단점을 갖고 있다.
본 논문에서는 발진 주파수 가변이 가능한 전압 제어 특성을 갖는2.4 GHz ISM 대역 주입 동기 발진 기의 설계 및 실험 결과를 제시하였다. 바렉터 다이 오드를 사용하여 발진기의 자유 발진 주파수를 이동 시킴으로써, 낮은 입력 레벨에서 광대역의 동작 특 성을 얻을 수 있게 된다. Ⅱ장에서는 발진기의 LC 공진기에 주파수 가변을 위한 바렉터 다이오드를 추 가한 형태의 직접 주입 방법을 이용한 주입 동기 발 진기의 설계를 제안하였으며, 제안된 주입 동기 발 진기의 제작 및 측정 결과를 Ⅲ장에 나타내었다. Ⅳ 장에서는 본 논문을 통해 제안된 발진기의 설계 결 과와 적용 가능 분야를 언급하였다.
Ⅱ. 전압 제어 주입 동기 발진기 구조 및 설계
2-1 주입 동기 발진기의 동작 원리
주입 동기 발진기는 자유 발진 주파수와 유사한 주파수를 갖는 외부 신호가 주입되었을 때, 발진기
(a) 주입 동기 발진기의 등가 모델 (a) Equivalent model for the ILO
(b) 주입 동기 발진기의 벡터 다이어그램 (b) Vector diagram for ILO
그림 1. 주입 동기 발진기의 등가 모델 및 벡터 다이
어그램
Fig. 1. Equivalent model & vector diagram for ILO.
가 주입된 신호에 동기화 되어 주입된 주파수와 동 일한 주파수를 출력하는 특징을 갖고 있다. 주입 동 기 발진기의 동작 원리는 그림 1에 나타난 것과 같다.
자유 발진 상태에서 발진기의 동작 주파수는 공 진회로인tuned circuit에 의해 주파수가 정해지며, 피 드백되는 Eo와Eg의 위상은 동일하게 유지된다. 외 부 신호(EL)가 주입되었을 때, 발진이 유지되기 위하 여 Eo와 Eg 사이에 만큼의 위상 차이가 발생하게 된다. 일정 수준 이내의 위상 차이가 유지될 때, 발 진기의tuned circuit을 통해 출력 신호가 주입 신호에 대해 동기화 된다. 이 때, 주입 동기가 가능한 최대 주파수 범위(△ωo,max)는 식 (1)과 같이 주입되는 신 호의 입력 레벨과 공진 회로의 Q값에 의해 결정되 며, 주입되는 신호가 자유 발진 신호보다 충분히 작 다면(≪1) 최대 주입동기 범위는 식(2)와 같 아진다.
∆max
(1)
∆max
(2)
여기서 ωo는 자유발진 주파수이다. 또한, 자유 발진 주파수와 주입 신호의 주파수 차이가 있을 때, 주입 동기가 가능한 신호의 세기는 식(3)과 같아진다[2],[3]. 따라서 식(3)을 만족하는 입력 레벨과 주파수를 갖 는 외부 신호가 주입될 경우, 발진기는 주입 신호에 동기된 신호를 출력되게 되며, 넓은 주입 주파수 범 위를 확보하기 위해 충분한 입력 신호의 전력이 요 구된다.
∆
(3)2-2 전압 제어 주입 동기 발진기의 설계 제안된 전압 제어 주입 동기 발진기의 구조는 그 림2에 나타난 것과 같이BJT를 이용하여 common emitter 방식으로 설계하였다. Emitter 단에 feedback 회로를 포함시켜 2.4 GHz 대역에서 안정도를 낮추 어 부성저항을 발생시키기 쉽게 하였으며, 공진 회 로를BJT Base 단에LC tank 형태로 위치시켰다. 주 입 동기 범위의 가변을 위해 바렉터 다이오드를LC tank와 병렬로 연결시켜 공진 주파수를 제어할 수 있 도록 설계하였다. 전압 제어를 통해 공진 회로의 전 체 캐패시턴스를 변화시킴으로써 공진 주파수를 가 변할 수 있도록 하였다[7]. 제안된 전압 제어 주입 동 기 발진기의 설계를 위하여 BJT로는 Avago사의 AT-41533을 사용하였으며, Infineon사의BB837 바렉 터 다이오드를 전압 제어를 위한 가변 캐패시터로 사용하였다.
설계된 전압 제어 주입 동기 발진기의 자유 발진 특성을 Agilent사의 advanced design system(ADS)을 이용하여 모의 실험을 수행하였다. 설계에 의한 모
그림 2. 제안된 전압 제어 주입 동기 발진기 구조
Fig. 2. Configuration of the proposed VC-ILO.
(a) 제어 전압에 따른 자유 발진 주파수 (a) Output frequency vs. control voltage
(b) 2.45 GHz에서의 위상 잡음 특성(VT=3 V) (b) Phase noise at 2.45 GHz(VT=3 V)
(c) 주파수 동기 범위 (c) Frequency locking range
그림 3. 제안된 전압 제어 주입 동기 발진기의 모의 실험
Fig. 3. Simulation results for the proposed VC-ILO for free-running condition.
의 실험 결과를 그림 3에 나타내었다. 공진기 제어 전압의 변화에 따른 발진 신호 특성을 그림 3(a)에 나타내었다. 바렉터 다이오드의 제어 전압(VT)을0～
5 V로 변화하였을 때 자유 발진 신호의 발진 주파수 는2.37～2.56 GHz까지 변화하였으며, 출력 레벨은 3.2～5.2 dBm으로 나타났다. 출력 신호의 위상 잡음 특성을 그림3(b)에 나타내었다. 바렉터 다이오드의 제어 전압을3 V로 인가하였을 때의 자유 발진 주파 수는2.45 GHz이며, 위상 잡음은10 kHz 오프셋에서
—83 dBc/Hz의 특성을 나타내었다. —10 dBm 의 주 입신호가 주어질 때 제어 전압별로 약10 MHz 정도 의 주파수 동기 범위를 얻을 수 있었다.
Ⅲ . 발진기 제작 및 실험
제안된 주입 동기 발진기는 비유전율 4.4, 두께 0.8 mm를 갖는FR-4 기판을 사용하여45 × 27 mm2 크기로 제작되었다. 그림 4(a)는 설계된 VC_ILO의 상세 회로도이며, 제작된 사진을 그림4(b)에 보이고 있다. 발진기의 바이어스 조건은VBE = 0.8 V, VCE = 5 V이며, 이 때, ICE = 10 mA로 설정하였으며, 외부 온도 등의 영향을 배제하기 위한 메탈 하우징을 사 용하였다. 제작된 전압 제어 주입 동기 발진기의 특 성을 측정하기 위한 측정 구성을 그림 5에 나타내 었다. 주입 신호원으로는 Agilent사의 신호발생기 E8257D를 사용하였으며, Agilent사의 전력 공급기
E3631A를 사용하여 발진기의 바이어스 전압과 바렉
터 다이오드의 제어 전압을 공급하였다. 발진기의 출력 신호는 Agilent사의 스펙트럼 분석기 E4446를 사용하여 발진 신호의 주파수, 전력 레벨, 주입 동기 범위, 위상 잡음 등을 측정하였다.
주입 신호가 없는 자유 발진 상태에서의 발진기 의 동작 특성을 그림 6에 나타내었다. 바렉터 다이 오드의 제어 전압을0～5 V로 인가하였을 때, 주파 수 출력 범위는 2.39～2.52 GHz이며, 출력 레벨은
—5.5 ～—3.2 dBm으로 나타났다. 앞 장의 모의 실험 결과와 비교하여 주파수 범위는 거의 일치하는 결과 를 나타내었으며, 출력 전력 레벨은 다소 낮게 나타 났다. 이는 제작에 의한 손실이 반영된 것으로 판단 된다. 주파수 제어 전압을3.4 V로 인가하였을 때 자 유 발진 주파수가2.45GHz가 되며, 이 때 위상 잡음 은10 kHz 오프셋에서 —88.17 dBc/Hz로 모의 실험 결과와 유사한 값을 얻었다.
그림7은 제안된VC-ILO의 자유 발진 출력 신호
(a) 제작된 발진기 회로도
(a) Schematics of implemented VC-ILO
(b) 제작된 발진기
(b) Photo of implemented VC-ILO
그림 4. 구현된 전압 제어 주입 동기 발진기의 회로 도 및 사진
Fig. 4. Schematics and photo of implemented VC-ILO.
그림 5. 제안된 전압 제어 주입 동기 발진기의 측정도
Fig. 5. Measurement setup for the proposed VC-ILO.
(a) 자유 발진 주파수 범위 및 출력 전력 (a) Free-running frequency and output power
(b) 위상 잡음 (b) Phase noise
그림 6. 제안된 전압 제어 주입 동기 발진기의 자유 발진 실험 결과
Fig. 6. Experimental results for the proposed VC-ILO for free-running condition.
와 주입 동기 출력 신호를 비교하여 나타내었다. 발 진기의 제어 전압을3.4 V로 인가하였을 때의 자유 발진 주파수는 2.45 GHz이며, 이 때 2.45 GHz에서
—15 dBm의 전력을 갖는 외부 신호를 발진기에 주
입하였을 때, 발진기의 출력 신호는 주입 신호에 동 기화 되어(locked) 주파수가 2.45 GHz로 변경되며, 위상 잡음 특성 또한 개선되는 것을 볼 수 있다. 반 면, 자유 발진 신호(unlocked)는 발진 주파수가 불안 정하고 위상 잡음 또한 상대적으로 나쁘게 나타남을 알 수 있다.
발진기에 입력되는 주입 신호의 레벨 변화에 따 른 주파수 동기 범위를 그림8에 나타내었다. 각각 의 바렉터 다이오드 제어 전압VT에 대하여 주입 신 호의 전력 레벨에 대한 동기 가능 주파수 범위를 도 시하고 있다. 그림에서 볼 수 있듯이, 입력 전력이
그림 7. 주입 동기 입력 유무에 따른 스펙트럼 비교 (주입 신호: —15 dBm @ 2.45 GHz) Fig. 7. Spectrum comparison of the proposed VC-ILO
with/without the injected signal(injection signal:
—15 dBm @ 2.45 GHz).
그림 8. 주입 신호 레벨에 따른 주파수 동기 범위 측 정 결과
Fig. 8. Measured frequency locking range vs. injection signal power.
커질수록 동기 가능한 주파수 범위가 증가하며, —10 dBm 신호가 입력될 때, 제어 전압별 주파수 동기 범 위가 50 MHz 이상으로 증가됨을 알 수 있다. 또한, 바렉터 다이오드의 제어 전압을 조정하여 자유 발진 주파수를 가변할 수 있기 때문에, —30 dBm의 낮은 입력 레벨에서 주파수 가변을 통하여90 MHz의 넓 은 주파수 동기 범위를 얻을 수 있다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 전압 제어를 이용하여 주파수 가 변이 가능한 주입 동기 발진기를 제안하였다. 일반 적으로, 주입 동기 발진기의 주파수 동기 범위가 입
력 신호의 크기에 비례하기 때문에 광대역 동작을 위해서는 입력 신호의 증폭이 필요하나, 본 논문에 서는 공진 회로에 바렉터 다이오드를 사용하여 자유 발진 주파수를 조정 가능하게 하여 —30 dBm의 낮 은 주입 신호 레벨에서 90 MHz의 주파수 동기 범 위를 나타내었다. 제안된 주입 동기 발진기는 바이 어스 전압의 조정을 통해 저전력 수신기 시스템인 super-regenerative receiver(SRR)의 핵심 부품인super- regenerative oscillator(SRO)의 기본 구조로 활용 가능 할 것으로 판단된다. 특히, 일반적인SRO의 경우, 단 일 채널로만 동작하지만, 본 논문에서 제안된 주입 동기 발진기는 주파수 가변 특성과 낮은 입력 레벨 에서의 좁은 동기 대역폭을 가지므로, 이 특성을 적 용하여 다중 채널 환경에서 동작하는SRO의 구현이 가능할 것으로 판단된다.
참 고 문 헌
[1] U. L. Rohde, Microwave and Wireless Synthesizers:
Theory and Design, John & Wiley & Sons, 1997.
[2] K. Kamokawa, T. Tokumistsu, and M. Aikawa, "In- jection-locked oscillator chain: A possible solution to millimeter-wave MMIC synthesizer", IEEE Trans.
Microw. Theory Tech., vol. 45, no. 9, pp. 1723-1727, Sep. 1997.
[3] L. J. Paciorek, "Injection locking of oscillators", Proc. IEEE, vol. 53, no. 11, pp. 1386-1410, Nov.
윤 원 상
1997년 2월: 고려대학교 전파공학 과(공학사)
1999년 2월: 고려대학교 통신시스템 학과(공학석사)
2010년 8월: 고려대학교 컴퓨터․전 파통신공학과(공학박사) 1999년 3월～현재: 삼성탈레스 통신 연구소 전문연구원
[주 관심분야] Antennas, Active Components for Wireless System, Microwave & RF Front-End System
1965.
[4] K. Kurokawa, "Injection locking of microwave so- lid-state oscillators", Proc. IEEE, vol. 61, no. 10, pp. 1386-1410, Oct. 1973.
[5] M. -C. Chen, C. -Y. Wu, "Design and analysis of CMOS subharmonic injection-locked frequency tri- plers", IIEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 56, no. 8, pp. 1869-1878, Aug. 2008.
[6] J. Jeong, Y. Kwon, "V-band harmonic injection- locked frequency divider using cross-coupled FETs", IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 14, no.
10, pp. 457-459, Oct. 2004.
[7] Quan Xue, "A wideband subharmonically injection- locked frequency synthesizer for LMDS", Microw.
Opt. Tech. Lett., vol. 30, no. 5, pp. 310-312, Sep.
2001.
[8] A. Vouilloz, M. Declercq, and C. Dehollain, "A low- power CMOS super-regenerative receiver at 1 GHz", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 36, no. 3, pp. 440- 451, Mar. 2001.
[9] P. Pala-Schonwalder, F. X. Moncunill-Geniz, F. Agui- la-Lopez, J. Bonet-Dalmau, and R. Giralt-Mas, "A simple and robust super-regenerative oscillator for the 2.4 GHz ISM band", Proc. Int'l Symp. Circuits and Syst., vol. 4, pp. 389-392. 2004.
이 훈 성
2009년 8월: 고려대학교 전자 및 정 보공학부(공학사)
2009년 9월～현재: 고려대학교 컴퓨 터․전파통신공학과 석사과정 [주 관심분야] RF Front-End System,
Active & Passive Circuit
이 희 종
2010년 2월: 순천향대학교 정보기 술공학부(공학사)
2010년 3월～현재: 순천향대학교 정 보통신공학과 석사과정
[주 관심분야] RF Front-End System
표 성 민
2002년 2월: 고려대학교 전기전자 전파공학부(공학사)
2004년 2월: 고려대학교 전파공학 과(공학석사)
2004년 1월～2007년 3월: (주)팬택
& 큐리텔 내수그룹 중앙연구소 전임연구원
2007년 3월～2008년 8월: 고려대학교 정보통신기술연구소 연구원
2008년 9월～현재: 고려대학교 컴퓨터․전파통신공학과 박사과정
[주 관심분야] Metamaterial-Base RF Circuit, Device and System
김 영 식
1978년 3월～1982년 1월: 홍익공업 대학 전자과 조교수
1988년 5월: University of Massachu- settes at Amherst (공학박사) 1988년 5월～1989년 2월: Univer-
sity of Massachusettes at Amherst Post Doc.
1989년 3월～1993년 2월: 한국전자통신연구원 이동통신연 구단 무선기술연구실 실장
1993년 3월～현재: 고려대학교 컴퓨터․전파통신공학과 교수
[주 관심분야] Antennas, RF Front-End System
한 상 민
1996년 2월: 고려대학교 전파공학 과(공학사)
1998년 8월: 고려대학교 전파공학 과(공학석사)
2003년 8월: 고려대학교 전파공학 과(공학박사)
2003년 10월～2004년 11월: 미국 UC- LA Post-Doctoral Research Fellow
2005년 1월～2007년 8월: 삼성종합기술원 전문연구원 2007년 9월～현재: 순천향대학교 정보통신공학과 조교수 [주 관심분야] RF Systems, Low-Power Transceivers, Active
Integrated Antennas
