본 논문에서는 IEEE 802.15.3a의 초광대역(Ultra Wideband: UWB) 시스템용 직접 변환 혼합기를 설계 및 제작하였다. 직접 변환 방식을 사용하는 UWB 혼합기는 dc offset, 2차 고조파 왜곡 등을 발생시키는데, 이 문제를 해결하기 위해 역병렬 다이오드 쌍을 이용하였다. $3.1{\sim}4.8GHz$ 동위상 전력분배기와 $1.5{\sim}2.4GHz$광대역$45^{\circ}$ 전력분배기를 사용하였고, RF-LO의 격리도를 높이기 위하여 RF 신호는 -0.5 dB 이상 손실로 통과시키고 LO 신호는 -10 dB 이하로 차단하는 광대역 여파기를 작은 크기로 설계하였다. 이와 더불어, 역병렬 다이오드와 광대역 소자의 초광대역 임피던스정합을 통해 주파수 변환 손실을 최소로 하였다. 제안된 혼합기의 측정 결과는 주파수 변환 손실이 13.5 dB, input third-order intercept-point($IIP_3$)는 7 dBm, 그리고 1-dB gain compression point ($P_{1dB}$)는 -4 dBm이다. I/Q 출력 양단간의 전력 오차는 1 dB, 그리고 위상오차는 ${\pm}3^{\circ}$이내의 초광대역 쿼드러쳐 혼합기로 동작하였다.
본 논문에서는 IEEE 802.15.3a의 초광대역(Ultra Wideband: UWB) 시스템용 직접 변환 혼합기를 설계 및 제작하였다. 직접 변환 방식을 사용하는 UWB 혼합기는 dc offset, 2차 고조파 왜곡 등을 발생시키는데, 이 문제를 해결하기 위해 역병렬 다이오드 쌍을 이용하였다. $3.1{\sim}4.8GHz$ 동위상 전력분배기와 $1.5{\sim}2.4GHz$ 광대역 $45^{\circ}$ 전력분배기를 사용하였고, RF-LO의 격리도를 높이기 위하여 RF 신호는 -0.5 dB 이상 손실로 통과시키고 LO 신호는 -10 dB 이하로 차단하는 광대역 여파기를 작은 크기로 설계하였다. 이와 더불어, 역병렬 다이오드와 광대역 소자의 초광대역 임피던스 정합을 통해 주파수 변환 손실을 최소로 하였다. 제안된 혼합기의 측정 결과는 주파수 변환 손실이 13.5 dB, input third-order intercept-point($IIP_3$)는 7 dBm, 그리고 1-dB gain compression point ($P_{1dB}$)는 -4 dBm이다. I/Q 출력 양단간의 전력 오차는 1 dB, 그리고 위상오차는 ${\pm}3^{\circ}$이내의 초광대역 쿼드러쳐 혼합기로 동작하였다.
This paper presents an ultra wideband(UWB) direct conversion mixer for IEEE 802.15.3a applications with simulation and measurement results. Since the direct conversion mixing causes dc-offset and even-order distortion, the proposed mixer adopts an anti-parallel diode pairs(APDPs) to solve these prob...
This paper presents an ultra wideband(UWB) direct conversion mixer for IEEE 802.15.3a applications with simulation and measurement results. Since the direct conversion mixing causes dc-offset and even-order distortion, the proposed mixer adopts an anti-parallel diode pairs(APDPs) to solve these problems. The proposed mixer consists of an in-phase wilkinson power divider over $3.1{\sim}4.8GHz$, a wideband $45^{\circ}$ power divider over $1.5{\sim}2.4GHz$, and miniatured band pass filters(BPFs) for RF-LO isolations. The conversion loss is optimized with impedance matchings between APDPs and wideband components. The measured mixer shows the conversion loss of 13.5 dB, input third-order intercept-point($IIP_3$) of 7 dBm, and 1-dB gam compression point($P_{1dB}$) of -4 dBm. Quadrature(I/Q) outputs have the magnitude difference of about 1 dB and phase difference of ${\pm}3^{\circ}$.
This paper presents an ultra wideband(UWB) direct conversion mixer for IEEE 802.15.3a applications with simulation and measurement results. Since the direct conversion mixing causes dc-offset and even-order distortion, the proposed mixer adopts an anti-parallel diode pairs(APDPs) to solve these problems. The proposed mixer consists of an in-phase wilkinson power divider over $3.1{\sim}4.8GHz$, a wideband $45^{\circ}$ power divider over $1.5{\sim}2.4GHz$, and miniatured band pass filters(BPFs) for RF-LO isolations. The conversion loss is optimized with impedance matchings between APDPs and wideband components. The measured mixer shows the conversion loss of 13.5 dB, input third-order intercept-point($IIP_3$) of 7 dBm, and 1-dB gam compression point($P_{1dB}$) of -4 dBm. Quadrature(I/Q) outputs have the magnitude difference of about 1 dB and phase difference of ${\pm}3^{\circ}$.
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문제 정의
본 논문은 3〜5 GHz에서 동작하는 Mode 1의 초광대역(니tra wideband: UWB) 시스템용 직접 변환 혼합기의 설계 및 결과를 보여주었다. Sub-harmonic mixing 방법을 이용하는 역병렬 다이오드 혼합기를 채택하여, 직접 변환 수신의 문제점 인 LO self-mi- xing에 의 한 dc-of&et과 even-order distortion을 구조적으로 해결하였다 또한 LO 신호의 2차 고조파를 이용함으로써 RF, LO, baseband 포트의 격리도를 확보하였고, 역병렬 다이오드 정합회로를 통해 격리 도를 더욱 향상시킬 수 있었다.
또한 큰 크기로 인해 높은 주파수로 갈수록 많은 기생 성분이 나타나고 주파수 변환 손실을 나쁘게 한다. 본 논문은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 광대역 소자들을 작은 크기로 만들고 광대역 소자와 다이오드의 정합을 통해 낮은 변환 손실 혼합기를 설계하였다.
제안 방법
8 GHz에서 작은 삽입 손실을 가지도록 설계한다. 광대 역 특성 과 rejection 특성을 날카롭게 하기 위해 short-circuited stub 구조를 가진 고역 통과 여 파기로, 3단 stub으로 구성하였다"俱 RF 신호가 3.1-4.8 GHz이므로 중심 주파수를 4 GHz로 두고, 3 GHz의 대역폭을 가져, RF 신호 대역을 충분히 통과할 수 있도록 설계하였다. 그림 4(a)와 같이 人/4 short stub를 A/2 open stub로 변환해서 제작시 비아 홀의 영향을 받지 않도록 하였다.
⑦ RF 단을 정합한다. RF 단과 BB 단의 격리를 위해 저역 통과 여파기를 설계한 후 정합한다.
대역 통과 여파기는 그림 4와 같이 마이크로 스트립 라인으로 구성하여, LO 주파수 대역 1.5 〜2.4 GHz에서 높은 rejection 특성과 RF 주파수 대역 3.1 ~4.8 GHz에서 작은 삽입 손실을 가지도록 설계한다. 광대 역 특성 과 rejection 특성을 날카롭게 하기 위해 short-circuited stub 구조를 가진 고역 통과 여 파기로, 3단 stub으로 구성하였다"俱 RF 신호가 3.
5배, 좋아지지만, 많은 다이오드를 동작시켜야 하므로 큰 LO 전력을 요구하는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 논문은 UWB 통신의 저전력목적에 맞추어 슈퍼 헤테로다인 방식보다는 소자 수가 적고, DBM보다는 LO 전력이 낮은 single ba lanced mixer를 이용한 직접 변환 쿼드러쳐 혼합기를 설계하였다.
줄여 주어야 한다. 본 논문에서는 그림 1과 같은 역 병렬 다이오드 구조를 채택하여 2차 혼 변조 왜곡(even-order distortion)을 없앴다.
본 논문은 비록 주파수 변환 손실이 크더라도, 구조적으로 RF와 LO를 분리하기 위하여 LO 신호의 2 차 고조파를 사용하는 역병렬 다이오드 구조를 이용하였다. Double balanced mixer(DBM) 방식을 사용하면 주파수 효율이 좋아져서 변환 손실이 2배 정도, 실질적으로는 1.
본 논문은 이전에 설계한 역병렬 다이오드를 이용한 초광대 역 혼합게1 설계 구조를 바탕으로, 이전논문의 문제점을 파악하고 개선하여, UWB 수신부에 사용되는 초광대 역 직접 변환 혼합기를 설계하였다. 이전 논문의 문제점은 여파기의 크기, 커플러의 크기, 그리고 매우 큰 주파수 변환 손실에 있었다.
본 논문의 혼합기는 2차 고조파 LO 신호와 1차 RF 신호를 이용하여 주파수 혼합을 하는 역병렬 다이오드를 이용한다.
752 GHz)에서 동작한다. 역 병렬 다이오드, 초광대역 특성을 가지는 결합 선로 (coupled lines) 동위상 전력 분배기, 45。위상 변환 시키는 광대역 결합 선로 전력 분배기를 접목한 UWB 혼합기를 제안한다.
여파기의 크기를. 줄이고충분한 대역폭을 확보하기 위하여 meander 구조의 여파기를 제안하였다
혼합기의 특성을 나타낼 수 있는 주파수 변환 손실, 위상, PldB, 2차 혼변조 왜곡 특성을 측정하였다. RF 신호 3.
대상 데이터
376 GHz 대역을 사용한다. 기판은 회로 크기를 줄이기 위하여 유전율이 높은 Taconic사의 CER-10, 유전율 9.5, 두께 0.63 mm를 사용하였다.
역병렬 다이오드는 Agilent사의 범용 HSMS-2822 를 사용하였다. 시뮬레이터 Advance Design System (ADS)를 이용하여 전체 회로를 최적화하였으며, 그림 6에 나타내었다.
이론/모형
사용하였다. 시뮬레이터 Advance Design System (ADS)를 이용하여 전체 회로를 최적화하였으며, 그림 6에 나타내었다. 시뮬레이션의 편의를 위해서 각각의 소자들을 블록화 하였다.
성능/효과
. 기저 대 역(baseband: BB) 주파수가 264 MHz로 RF 주파수보다 상대적으로 낮기 때문에, 저역 통과 여파기(low-pass filter: LPF)는 칩 인덕터와 커패시터를 사용하여 크기를 줄일 수 있었다.
측정하였다. RF 신호 3.432 GHz (Band 1)에서의 변환 손실은 출력 포트 양단 (I/Q)에서 13.42/13.66 dB로 측정되었고, 3.980 GHz (Band 2)에서 13.85/13.97 dB, 마지막으로 4.488 GHz (Band 3)에서 14.35/14.64 dB로 측정되었다. 이것은 쿼드러쳐 혼합기가 아닌 단일 혼합기로 생각하면, 전력 분배기의 삽입 손실이 3.
Sub-harmonic mixing 방법을 이용하는 역병렬 다이오드 혼합기를 채택하여, 직접 변환 수신의 문제점 인 LO self-mi- xing에 의 한 dc-of&et과 even-order distortion을 구조적으로 해결하였다 또한 LO 신호의 2차 고조파를 이용함으로써 RF, LO, baseband 포트의 격리도를 확보하였고, 역병렬 다이오드 정합회로를 통해 격리 도를 더욱 향상시킬 수 있었다. 여파기의 크기를.
5 dB 이내였고, 위상 차이는 45° 전력 분배기의 결과에서 예측한 ±3。이내, 입력 PldB가 -4 dBm, ■泌3가 7 dBm, RF-IF 격리도는 一40 dB 이하, RF-LO 격리도가 一70 dB 이하로 UWB 혼합기 사양을 만족시키고 있다. 그리고 de offset 및 2차 고조파도 제거하여 직접 변환의 단점을 극복하였다. 그러나 수동 혼합기이기 때문에 변환 손실을 가지므로, 혼합기 앞 단의 저잡음 증폭기 이득이 20 dB 정도이어야, 혼합기의 잡음지수가 전체 시스템에 영향을 적게 줄 것이다.
나타내었다. 반사 특성은 —10 dB 이하, 전달 특성은 여파기 一0.5 dB, 동위상 분배기 一3.5 dB 이상, 격리도는 一15 dB 이하로 광대역 혼합기에 적합한 특성을 나타낸다.
논문에서 개선된 특성을 나타내었다. 변환 손실은 4~6 dB 개선되었고, 여파기의 크기는 약 1/16 크기로 줄어들었으며, 이로 인해 전체 크기는 약 1/4 로 작아지는 결과를 보여준다.
이때 사용한 RF 전력은 一30 dBm이다. 시뮬레이션 결과는 LO 전력이 6 dBm일 때 Band 1에서는 12.521 dB, Band 2에서는 13.309 dB, Band 3에서는 13.876 dB의 변환 손실을 나타내었다. 시뮬레이션 결과와 유사하게 그림 7에서 LO 전력이 6 dBm 근처 값일 때 최적화됨을 알 수 있다.
주고 있다. 제안된 혼합기의 특성은 주파수 변환손실이 13.5 dB, input third-order intercept-point(〃R) 는 7 dBm, 그리고 l-dB gain compression point(RdB)는 -4 dBm 이다. I/Q 출력 양단간의 전력 오차는 I dB 그리고 위상오차는 ±3° 이내의 초광대역 쿼드러쳐혼합기로 동작하였다.
가지 장점이 있다. 첫째, 중간 주파수가 없기 때문에 이미지 문제와 이미지 제거 여파기가 필요 없으며, intermediate frequency(IF) 필터 또한 필요가 없다. 둘째, 적은 수의 디바이스 사용으로 칩 구현이 가능하기 때문에 전력 소모도 적고 낮은 가격으로 시스템을 구현할 수 있다明.
시뮬레이션의 편의를 위해서 각각의 소자들을 블록화 하였다. 특히, 전력 분배기와 BPF는 전자계 시뮬레이션을 통해 S-parameter 값을 추출하여, 회로 시뮬레이션을 더욱 정확히 하였다.
참고문헌 (9)
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