[국내논문]ELINT 장비용 광대역 초고속 고정밀 주파수 합성기 설계 및 구현 Design and Implementation of Wideband Ultra-Fast High Precision Frequency Synthesizer for ELINT Equipment원문보기
본 논문은 2.5 MHz 간격으로 광대역 주파수를 발생하며 응답 시간이 400 nsec 이하인 초고속 이산(discrete) 주파수 합성기를 제안한다. 제안한 주파수 합성기는 고정 주파수 위상 제어 루프(PLL)와 주파수 분배기를 이용해 16개의 기준 신호를 생성하고, 이들을 선택하여 주파수 혼합하는 방식으로 710~1,610 MHz내에서 2.5 MHz 간격의 이산 주파수 신호를 고속으로 생성한다. 제작된 주파수 합성기의 주파수 천이 응답 시간은 평균 350 nsec, 고조파를 비롯한 모든 불요파 신호는 -60 dBc 이하, 위상 잡음 특성은 -94 dBc/Hz @100 Hz, 출력 세기는 평균 21.5 dBm, 평탄도는 2.65 dB 이하로 측정되었다. 또한 주파수 천이 응답 속도를 측정하는 새로운 기법의 측정 방법이 제안되었다.
본 논문은 2.5 MHz 간격으로 광대역 주파수를 발생하며 응답 시간이 400 nsec 이하인 초고속 이산(discrete) 주파수 합성기를 제안한다. 제안한 주파수 합성기는 고정 주파수 위상 제어 루프(PLL)와 주파수 분배기를 이용해 16개의 기준 신호를 생성하고, 이들을 선택하여 주파수 혼합하는 방식으로 710~1,610 MHz내에서 2.5 MHz 간격의 이산 주파수 신호를 고속으로 생성한다. 제작된 주파수 합성기의 주파수 천이 응답 시간은 평균 350 nsec, 고조파를 비롯한 모든 불요파 신호는 -60 dBc 이하, 위상 잡음 특성은 -94 dBc/Hz @100 Hz, 출력 세기는 평균 21.5 dBm, 평탄도는 2.65 dB 이하로 측정되었다. 또한 주파수 천이 응답 속도를 측정하는 새로운 기법의 측정 방법이 제안되었다.
In this paper, a wideband ultra-high speed & high purity discrete frequency synthesizer having minimum 2.5 MHz step size was proposed. To achieve fast and wideband operation, discrete frequencies were synthesized by mixing of 3 different pre-synthesized 16 frequencies made from fixed PLL and frequen...
In this paper, a wideband ultra-high speed & high purity discrete frequency synthesizer having minimum 2.5 MHz step size was proposed. To achieve fast and wideband operation, discrete frequencies were synthesized by mixing of 3 different pre-synthesized 16 frequencies made from fixed PLL and frequency dividers. Frequencies with discrete 2.5 MHz step were produced in 710~1,610 MHz. The measured hopping response time was 350 nsec average, output level was 21.5 dBm average with 2.65 dB flatness, spurious and harmonics level were suppressed below -60 dBc, and phase noise was -94 dBc/Hz@100 Hz. Also, a new measurement method for synthesizer response time was described.
In this paper, a wideband ultra-high speed & high purity discrete frequency synthesizer having minimum 2.5 MHz step size was proposed. To achieve fast and wideband operation, discrete frequencies were synthesized by mixing of 3 different pre-synthesized 16 frequencies made from fixed PLL and frequency dividers. Frequencies with discrete 2.5 MHz step were produced in 710~1,610 MHz. The measured hopping response time was 350 nsec average, output level was 21.5 dBm average with 2.65 dB flatness, spurious and harmonics level were suppressed below -60 dBc, and phase noise was -94 dBc/Hz@100 Hz. Also, a new measurement method for synthesizer response time was described.
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문제 정의
본 논문에서는 응답 시간을 측정하는 방법으로 주파수 합성기에서 나오는 출력 신호를 믹서와 필터를 이용하여 주파수 영역에서 고속 응답 특성을 측정하는 새로운 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 광대역에서 고속 동작이 가능한 고정밀 주파수 합성기를 설계 및 제작하였다. 서로 상보 관계에 있는 광대역, 고정밀, 고속 응답 특성을 얻기 위하여 고정 주파수 PLL과 주파수 분배기로 16 개의 기준 주파수를 만들고 이를 혼합하여 2.
제안 방법
본 논문에서는 가변 PLL, DTO 및 DDS 방식과는 달리 주파수 고정 PLL과 주파수 분배 기를 통해 기준 주파수를 여러 개 만들고, 이들을 주파수 혼합기로 조합하여 출력 주파수를 생성함으로써 출력 지연시간에 관여하는 요소를 소자들의 지연 시간으로 한정하여 매우 짧은 응답 시간을 갖는 고정밀 주파수합성기를 설계 및 제작하였다. 그리고 정확한 측정이 어려운 응답 시간 측정 방법을 제안하였다.
설계 및 제작하였다. 그리고 정확한 측정이 어려운 응답 시간 측정 방법을 제안하였다.
그림 1에 나타내었다. 100 MHz의 OCXO를 PLL 의 기준 주파수로 사용하여 100 MHz 간격으로 800 ~1, 500 MHz 범위의 고순도 신호를 발생시키고, 이를 그림 2의 주파수 분주부 블록도와 같이 5분주와 40분주를 거쳐 총 16개의 기준 신호들을 생성하였다. 생성된 기준 신호들을 믹서와 필터 뱅크로 구성된 주파수 혼합기로 조합하여 2.
100 MHz의 OCXO를 PLL 의 기준 주파수로 사용하여 100 MHz 간격으로 800 ~1, 500 MHz 범위의 고순도 신호를 발생시키고, 이를 그림 2의 주파수 분주부 블록도와 같이 5분주와 40분주를 거쳐 총 16개의 기준 신호들을 생성하였다. 생성된 기준 신호들을 믹서와 필터 뱅크로 구성된 주파수 혼합기로 조합하여 2.5 MHz 간격의 710 ~1, 610 MHz 범위의 광대역 이산 신호를 생성하였다. 주파수 혼합시 믹서에서 발생하는 이미지 신호와 불요파 신호를 제거하기 위해 6채널 SFB1(필터뱅크 1)과 9채널의 SFB2(필터 뱅크 2)를 사용하였고, 고조파 신호 제거를 위해 2채널 필터 뱅크를 최종 단에 삽입하였다.
5 MHz 간격의 710 ~1, 610 MHz 범위의 광대역 이산 신호를 생성하였다. 주파수 혼합시 믹서에서 발생하는 이미지 신호와 불요파 신호를 제거하기 위해 6채널 SFB1(필터뱅크 1)과 9채널의 SFB2(필터 뱅크 2)를 사용하였고, 고조파 신호 제거를 위해 2채널 필터 뱅크를 최종 단에 삽입하였다. 이와 같이 이미 발생된 주파수들을 조합하여 출력 주파수를 생성함으로써 가변 PLL 합성기에서 나타나는 과도 응답 시간(lock time 또는 soling time)이 없이 주파수를 만들 수 있기 때문에 고속 합성이 가능하게 된다.
보여주고 있다. PLL에서 발생한 신호들이 2번째 믹서의 LO 주파수로 사용되므로 불요파의 억제와 위상 잡음 특성을 중요하게 고려하여 설계하였다. PLL 위상 잡음은 루프 필터 대역폭 이내에서는 PLL 의 특성에 영향을 받고 대역폭 밖에서는 VCO의 영향을 받는다观 따라서 루프 필터 대역폭을 늘이면 낮은 위상 잡음을 얻을 수 있고, 루프 필터 대역폭은 PFD(Phase Frequency Detector) 주파수의 최대 1/10까지 설정 할 수 있으므로 높은 PFD 주파수를 가질 수 있는 integer-N 방식의 ADF4106 PLL 소자를 선택하였다.
또한 PLL 기준 신호의 위상 잡음 특성은 PLL 전체 위상 잡음 특성에 많은 영향을 주게 되므로'句四 계측기 등에 널리 사용되는 10 MHz의 OCXO 대신 위상 잡음 특성이 최적화된 100 MHz의 OCXO를 사용하되 이를 1/4 분주하여 기준 신호로 사용하였다.
루프 필터는 25 MHz 기준 주파수 신호의 불요 파신 호가 발생하는 것을 최대한 억제하기 위하여 4단으로 설계하였고, 각 PLL별 루프 필터 대역폭을 180 ~450 kHz, 위상 여유(phase margin)를 51~61°로 설계 하였다.
또한 제어선과 각 부분에 공급되는 전원 선로를 통하여 유출되는 잡음 신호들이 주파수 혼합기에서 불요 파를 발생시키므로 이를 방지하기 위하여 고주파 부와 전원 및 제어부를 다른 층을 사용하는 다층기판으로 회로를 제작하여 신호의 간섭을 최소화 하였으며, 그림 4에서와 같이 RF 신호의 흐름을 따라 차단벽을 세웠다.
삽입하였다. 스위치 필터 뱅크는 그림 1과 같이 1st mixer 출력단에는 6개의 대역 통과 필터, 2nd mixer의 출력단에는 9개의 대역 통과 필터를 적용하였다. 불요파 중 믹서에서 누설되는 LO 신호와 주파수 혼합시 발생하는 이미지 신호는 상대적으로 크게 발생되므로 이들 신호는 통과 대역폭 밖에 존재하도록 대역 통과 필터의 통과 대역을 설정하고, 이들 신호를 제거하기 위해 각 필터들의 대역 저지 특성은 누설 LO 신호와 이미지 신호의 주파수에서 -50 dBc 이상 감쇄되도록 설계하였다.
스위치 필터 뱅크는 그림 1과 같이 1st mixer 출력단에는 6개의 대역 통과 필터, 2nd mixer의 출력단에는 9개의 대역 통과 필터를 적용하였다. 불요파 중 믹서에서 누설되는 LO 신호와 주파수 혼합시 발생하는 이미지 신호는 상대적으로 크게 발생되므로 이들 신호는 통과 대역폭 밖에 존재하도록 대역 통과 필터의 통과 대역을 설정하고, 이들 신호를 제거하기 위해 각 필터들의 대역 저지 특성은 누설 LO 신호와 이미지 신호의 주파수에서 -50 dBc 이상 감쇄되도록 설계하였다.
최종 출력 주파수 범위가 710-1, 610 MHz의 광대역에서 운용되기 때문에 증폭기 사용으로 발생한 낮은 주파수에서의 2차 고조파 성분이 운용되는 주파수 대역 내에 위치하여 하나의 필터로는 운용되는 주파수의 모든 고조파를 제거할 수 없어 대역이 다른 두 개의 저역 통과 필터로 구성된 필터 뱅크를 삽입하여 고조파를 제거하였다.
서로 상보 관계에 있는 광대역, 고정밀, 고속 응답 특성을 얻기 위하여 고정 주파수 PLL과 주파수 분배기로 16 개의 기준 주파수를 만들고 이를 혼합하여 2.5 MHz 간격의 710~1, 610 MHz의 신호를 합성하였다.
된다. 기준 주파수를 정하는 것은 여러 선택이 있을 수 있으나, 다음 2가지 조건을 중요하게 고려하여 주파수 발생 조합(frequency plan)을 설계하였다. 첫 번째, 믹서의 두 개 입력 포트로 들어가는 각각의 최대 주파수 크기가 최소 주파수의 2배 주파수보다 작게 하여 고조파를 포함한 불요파가 없는 기준 주파수만 입력되게 하였다.
제 작된 주파수 합성 기 의 주파수 특성은 Agilentjfi 의 PSA E4440A 스펙트럼 분석기로 측정하였고, 출력 파워는 Agilent社의 E4418B 파워 미터로 측정하였다. 그림 9는 제작된 주파수 합성기의 주파수별 최종 출력 세기 측정 결과로서, 평균 출력 세기는 21.
성능/효과
기준 주파수를 정하는 것은 여러 선택이 있을 수 있으나, 다음 2가지 조건을 중요하게 고려하여 주파수 발생 조합(frequency plan)을 설계하였다. 첫 번째, 믹서의 두 개 입력 포트로 들어가는 각각의 최대 주파수 크기가 최소 주파수의 2배 주파수보다 작게 하여 고조파를 포함한 불요파가 없는 기준 주파수만 입력되게 하였다. 두 번째, 믹서의 L0 주파수와 IF 주파수 차이를 확보함으로써 필터의 성능 완화를 유도했다.
첫 번째, 믹서의 두 개 입력 포트로 들어가는 각각의 최대 주파수 크기가 최소 주파수의 2배 주파수보다 작게 하여 고조파를 포함한 불요파가 없는 기준 주파수만 입력되게 하였다. 두 번째, 믹서의 L0 주파수와 IF 주파수 차이를 확보함으로써 필터의 성능 완화를 유도했다.
제작된 주파수 합성기는 측정 결과 평균 21.5 dBm의 출력 세기, 2.65 dB의 평탄도, 300-400 ns 응답 시간, -50 dBc 이하의 불요파, -94 dBc/Hz @ 100 Hz의 위상 잡음 특성을 얻어, 매우 우수한 성능임을 입증하였다.
참고문헌 (5)
김현미, 양승식, 이만희, 염경환, "소형화된 ka-대역 주파수 합성기 모듈 설계 및 제작", 한국전자파학회논문지, 18(5), pp. 511-521, 2007년 5월
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