[논문]이중루프 PLL을 이용한 IMT-2000용 저 위상잡음 주파수 합성기의 설계 및 제작

김광선; 최현철

문제 정의

또 단일 루프방식의 주파수합성기에서는 불가피한 높은 분주비의 사용과 동기시간의 제한으로 인한 루프 대역폭의 한계 때문에 위상잡음의 개선에는 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 기존의 디지털 간접 방식의 PLL과 간단한 형태의 아날로그 간접방식의 PLL을 결합함으로서 위상잡음의 특성을 개선 시키고자하였다.
본 논문에서는 이중 루프 PLL을 이용한 저 위상잡음의 주파수 합성기를 설계 및 제작을 하였다.
본 논문에서는 이중루프 PLL을 이용한 간접방식의 1 .74GHz에서 1 .885GHz대역의 IMT-2000용 저위상잡음 주파수 합성기를 설계 및 제작하고자 한다 . 광대역 특성과 저 위상잡음 특성을 얻기 위해서 저 위상잡음 특성의 최적화를 위한 메인 루프와 주파수 변화를 위한 기준 루프의 이중루프 방식을 선택하고 기준루프에서는 저 위상잡음의 전압제어발진기를 사용하고 최적화된 루프 대역폭을 결정하여 주파수 변화와 함께 저 위상잡음을 갖게 한다 .

제안 방법

이중에서 클램프형은 베이스 이미터, 어스 간에 C를 넣고 이 C를 공진주파수를 결정하는 C값보다 큰 값으로 함으로서 트랜지스터의 각 파라미터에 대한 영향을 받기가 어렵게 함으로서 주파수 안정도를 향상시킬수 있다.^[9] 그러므로 본 논문에서는 전압제어 발진기로 발진 주파수의 안정도가 뛰어나며 LC 공진회로와 능동소자의 결합을 저하함으로써 트랜지스터 파라미터값의 변화에 따른 발진 주파수의 변화가 적어서 RF VCO용으로 많이 사용되고 있는 변형클램프 방식으로 설계하였고 주파수 변화를 위해서 바랙터(Var actor)를 사용하였다 . 그림 5는 변형클램프 형태의 공진부와 트랜지스터를 포함한 증폭부를 나타낸다.
885GHz대역의 IMT-2000용 저위상잡음 주파수 합성기를 설계 및 제작하고자 한다 . 광대역 특성과 저 위상잡음 특성을 얻기 위해서 저 위상잡음 특성의 최적화를 위한 메인 루프와 주파수 변화를 위한 기준 루프의 이중루프 방식을 선택하고 기준루프에서는 저 위상잡음의 전압제어발진기를 사용하고 최적화된 루프 대역폭을 결정하여 주파수 변화와 함께 저 위상잡음을 갖게 한다 . 그리고 이중 위상 잡음 특성에 큰 영향을 미치는 메인루프에는 위상 검출기(Phase Detector)로 수 GHz대역에서 직접 위상비교가 가능한 SPD(Sampling Phase Detector)를 사용해서 분주기를 없애고 동축형 공진기를 이용한 고안정, 저 위상잡음의 전압제어 발진기를 사용하여 저 위상잡음의 주파수합성기를 구현하고자 한다 .
따르므로 전압 제어 발진기의 위상 잡음 특성이 중요하다. 그래서 2GHz 대역에서 가장 일반적으로 사용되고 저 위상 잡음 특성을 가지는 λ/4 동축형 유전체 공진기를 이용한 변형 클램프형태의 전압 제어 발진기를 설계하였다 . L대신 동축형 유전체 공진기를 전압 제어 발진기에 사용할 경우 유전체 공진기의 자기 공진 주파수(f_SRF)보다 낮은 일정 주파수 범위에서 Q값이 매우 큰 이상적인 인덕터로 동작을 하므로 고 안정, 저 위상잡음의 발진주파수를 만들어 낸다.
최적화하였다. 그리고 메인 루프에는 위상잡음 특성을 좋게 하기 위해서 λ/4 동축형 공진기를 이용한 전압제어 발진기를 사용하였고 위상검출기로 수 GHz대역에서 직접 위상비교가 가능한 SPD를 사용해서 분주기의 사용을 없애고 구조를 단순화하였으며 루프 필터에 증폭기를 사용함으로서 개루프의 이득을 높혔다.
광대역 특성과 저 위상잡음 특성을 얻기 위해서 저 위상잡음 특성의 최적화를 위한 메인 루프와 주파수 변화를 위한 기준 루프의 이중루프 방식을 선택하고 기준루프에서는 저 위상잡음의 전압제어발진기를 사용하고 최적화된 루프 대역폭을 결정하여 주파수 변화와 함께 저 위상잡음을 갖게 한다 . 그리고 이중 위상 잡음 특성에 큰 영향을 미치는 메인루프에는 위상 검출기(Phase Detector)로 수 GHz대역에서 직접 위상비교가 가능한 SPD(Sampling Phase Detector)를 사용해서 분주기를 없애고 동축형 공진기를 이용한 고안정, 저 위상잡음의 전압제어 발진기를 사용하여 저 위상잡음의 주파수합성기를 구현하고자 한다 .
기준 루프에서 180MHz대의 낮은 주파수를 사용함으로서 분주비를 낮춤과 동시에 저위상잡음의 전압제어 발진기와 루프대역폭의 최적화로 안정되고 저위상잡음의 기준주파수를 만들고 메인 루프에서는 위상잡음 특성을 최적화하기 위해서 위상검출기로 GHz대에서 직접 위상비교가 가능한 SPD를 사용함으로서 분주기의 사용을 없애고 루프 필터의 이득을 갖게 해서 위상검출기의 이득을 높히고 전압 대출력주파수의 비가 큰 전압제어 발진기를 설계함으로서 개루프의 이득을 높혔다.
결정되도록 한다 . 넓은 대역에 선형성을 보상하기 위해서 3개의 바랙터을 병렬로 연결하고 높은 fT와 저잡음 특성을 갖는 트랜지스터를 선정해서 기생용량의 영향을 줄였다 .
설계된 전압제어 발진기와 위상검출기를 바탕으로 하고 기준루프의 루프 대역폭은 최적화된 루프대역폭인 1kHz로 하고 메인 루프의 루프 대역폭은 기준주파수와 비교주파수를 고려해서 10kHz로 하였다. 그림 16은 제안된 이중루프 PLL 주파수합성기의 최종 출력위상잡음의 시뮬레이션 결과이다.
이를 위해서 그림 4에서와 같이 기준주파수와 주파수 변화를 조절하는 디지털 간접방식의 기준루프(Reference loop) 와 저 위상잡음의 안정된 출력 신호를 합성하는 아날로그 간접방식의 메인 루프(Main loop) 의 두 개의 루프로 구성하였다
저 위상 잡음의 특성을 얻기 위해서 주파수 합성기를 기준루프와 메인 루프의 두 개 루프로 나누어서 사용하고 기준 루프에서는 LC형태의 변형 클램프방식의 전압제어 발진기를 사용함과 동시에 루프 대역폭을 조절해서 위상잡음 특성을 최적화하였다. 그리고 메인 루프에는 위상잡음 특성을 좋게 하기 위해서 λ/4 동축형 공진기를 이용한 전압제어 발진기를 사용하였고 위상검출기로 수 GHz대역에서 직접 위상비교가 가능한 SPD를 사용해서 분주기의 사용을 없애고 구조를 단순화하였으며 루프 필터에 증폭기를 사용함으로서 개루프의 이득을 높혔다.
제작된 이중루프 PLL 주파수합성기의 동기시간이 다소 느린 점이 있으므로 이를 개선하기 위해서 기준 루프에 빠른 동기시간을 위한 부가적인 스위칭 회로를 부가하고 메인 루프에 선 제어회로를 사용함으로서 저 위상잡음과 함께 빠른 동기시간을 가지는 주파수합성기를 구현할 수 있을 것이다.

대상 데이터

5dB의 변화를 보였다 . 그리고 -120dBc/Hz의 위상잡음 특성을 나타내었다 또 부하에 대한 변동을 줄이고 메인 루프의 위상 검출기인 SPD를 구동하기 위해서 17dBm 정도의 출력이 필요한데 이를 얻기 위해서 같은 AT41435를 사용해서 VHF용 증폭기를 출력단에 사용하였다
기준 루프에는 National Semiconductor사의 LMX2330A를 이용하여서 PLL을 구성하였고 주파수의 변화를 PC를 통해서 제어를 했다. 그리고 기준 주파수는 12 .
메인 루프의 전압제어 발진기는 Siemens사의 BFP 520 트랜지스터와 BBY550 바랙터를 사용하였고 공잔기는 transtech의 A /4 동축형 공진기를 사용하였다. 또 부하의 영향을 줄이기 위해서 전압 제어 발진기의 출력에 Buffer Amp를 사용하였다.
본 논문에서 제작된 기준루프의 전압제어 발진기는 fT가 6(WMHz이고 저잡음 특성을 갖는 HP사의 AT41435 트랜지스터를 이용하였고 바랙터는 Siemense사의 BB835를 이용하여 변형 클램프형태의 LC type 발진기를 제작하였다. 중심주파수가 182MHz이고 0V에서 3.
본 논문에서는 IMT-2000 대역에서 송수신단의 국부발진기로 사용할 수 있는 주파수 합성기를 송신, 수신대역에서 모두 사용 가능한 주파수 1740 - 1890MHz로 선택하여 기판은 비유전율이 3.25인 20mil 두께의 Duroid 기판을 사용해서 설계하였다. 그림 14는 실제 제작된 주파수합성기의 실물 사진이다.
본 논문에서는 사용 주파수를 고려해서 SPD로 Alpha 사의 SPD 3471-12을 선택하였고 구동 인덕턴스는 선택된 소자와 펄스폭에서 L= 24nH가 된다
제작된 이중 루프 PLL 주파수 합성기는 중심주파수 1.81GHz이고 가변범위가 158.5MHz, 출력전력은 13.5dBm이며 위상잡음이 -12066dBc/Hz인 저위상잡음의 특성을 얻었다 . 이렇게 이중루프 PLL을 사용함으로서 기존의 이동 통신 시스템의 좁은 대역에서 사용되던 주파수합성기의 비해서 상당히 넓어진 대역에서도 같은 저 위상잡음 특성을 얻을 수 있었다.

성능/효과

나타낸다. 0.5V에서 3.2V까지에서 원하는 주파수범위가 나타남을 알 수 있고 위상잡음은 180MHz에서 시뮬레이션 값은 100kHz offset에서 -122.51dBc/Hz의 저 위상잡음을 나타냈다.
5dBm이며 위상잡음이 -12066dBc/Hz인 저위상잡음의 특성을 얻었다 . 이렇게 이중루프 PLL을 사용함으로서 기존의 이동 통신 시스템의 좁은 대역에서 사용되던 주파수합성기의 비해서 상당히 넓어진 대역에서도 같은 저 위상잡음 특성을 얻을 수 있었다. 이중루프 PLL 주파수합성기는 IMT-2000용송, 수신부의 국부 발진기로 사용가능하고 제안된 이중 루프 PLL 구조는 메인 루프에 위상 검출기로 SPD를 사용함으로서 위상잡음에 큰 영향을 미치는 분주기를 사용하지 않으므로 광대역 특성을 갖는 다른 통신대역에서도 저 위상 잡음 특성을 위해서 사용되어질 수 있다 .
제작된 전체 주파수합성기의 최종 출력특성을 보면 출력전력은 13dBm이고 위상잡음 특성은 100kHz offset에서 -119 .33dBc/Hz, 10MHz가변시동기시간이 2 .645ms이며 고조파 특성은 19.83dBc로 저위상잡음특성을 나타내고 설계사양을 만족함을 알 수 있다 .
그림 16은 제안된 이중루프 PLL 주파수합성기의 최종 출력위상잡음의 시뮬레이션 결과이다. 최종시뮬레이션 결과 이중루프 PLL 주파수 합성기의 위상 잡음은 100kHz offset에서 -123 .8dBc/Hz의 저위상잡음의 특성을 나타냄을 알 수 있다

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