[논문]임피던스 인버터와 고조파 발진기를 이용한 VCO 설계 및 제작

장정석; 정연홍; 도지훈; 김대웅; 홍의석

임피던스 인버터와 고조파 발진기를 이용한 VCO 설계 및 제작
Design and Implementation of a VCO Employing Harmonic Oscillators and a Impedance Inverter 원문보기

韓國ITS學會論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.8 no.5, 2009년, pp.98 - 104

장정석 (광운대학교 전파 공학과) , 정연홍 (광운대학교 전파 공학과) , 도지훈 (광운대학교 전파 공학과) , 김대웅 (광운대학교 전파 공학과) , 홍의석 (광운대학교 전파 공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 Push-Push 구조와 고임피던스 인버터를 이용하여 개선된 VCO를 설계 및 제작하였다. 두 개의 고조파 발진기를 Push-Push 구조로 결합시킴으로써 기본주파수 억압특성을 개선하였으며, 고조파 출력을 향상시켰다. 이에 따른 위상잡음 증가는 고임피던스 인버터를 이용하여 공진기와 병렬선로 사이의 결합특성 개선을 통하여 억제하였다.

In this paper, improved VCO(voltage controlled oscillator) with push-push structure and high impedance-inverter is designed and implemented. Two harmonic oscillators are combined into push-push structure. As a result, the fundamental suppression and the output power have been progressed. For the improved coupling characteristics between hair-pin resonator and two parallel microstrip line using high impedance inverter, the phase noise has been suppressed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 K-band 대역의 새로운 구조의 VCO를 제안하였다. 높은 주파수의 신호원을 얻기 용이한 Push-Push 구조를 고조파 발진기를 적용하여 기본파 억압특성과 2차 고조파 출력을 개선하였다.
본 논문에서는 위성통신과 ITS 분야를 결합한 광역권 교통 정보 수집 및 제어 통합 시스템에서 필요한 새로운 구조의 위성통신용 K-band VCO를 제안하였다.

제안 방법

GaAs MESFET 소자의 바이어스는 V_ds=3V, I_ds=40mA이고, 게이트 바이어스는 자기바이어스 형태를 취하였으며 바렉터 다이오드 0~-12V까지 가변시키면서 주파수와 출력의 변화를 측정하였다. 다음 <그림 11>은 제작된 VCHO의 측정 결과이다.
본 논문에서는 K-band 대역의 새로운 구조의 VCO를 제안하였다. 높은 주파수의 신호원을 얻기 용이한 Push-Push 구조를 고조파 발진기를 적용하여 기본파 억압특성과 2차 고조파 출력을 개선하였다. 또한 Push-Push 발진기가 가지는 위상잡음 특성의 저하를 개선하기 위하여 고임피던스 인버터를 적용하였다.
높은 주파수의 신호원을 얻기 용이한 Push-Push 구조를 고조파 발진기를 적용하여 기본파 억압특성과 2차 고조파 출력을 개선하였다. 또한 Push-Push 발진기가 가지는 위상잡음 특성의 저하를 개선하기 위하여 고임피던스 인버터를 적용하였다. 그 결과, 발진 주파수 18.
측정 결과 기존의 기본 주파수 발진기를 이용한 Push-Push 발진기에 비해 제안된 구조를 가지는 발진기는 개선된 기본 주파수 억압특성이 나타났다. 또한 기존의 Push-Push 구조의 단점이었던 위상잡음 특성의 감쇠를 임피던스 인버터를 적용함으로써 보상하였다. 18.
선형설계 후 HB(Harmonic balance) 기법을 이용하여 발진기의 비선형 모의실험을 통하여 출력, 고조파 특성 등을 얻었다. 다음 <그림 6>과 <그림 7>은 게이트 입력단에서 개방루프 이득과 부성저항의 모의실험 결과이다.
또한 낮은 출력을 갖는 2차 고조파 성분을 결합하기 때문에 최종 출력 또한 낮아진다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 본 연구에서는 고조파 발진기를 이용하였다.
뿐만 아니라 각각의 발진기를 고조파 발진기로 설계하게 되면 위상잡음이 더욱 나빠지게 된다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 공진부에 고임피던스 인버터를 적용하였다.
그러나 통신 시스템에서 국부발진기의 경우 부피, 질량, 소모전력 등의 제한적 요소가 많기 때문에 이러한 방법을 사용하기에는 부적당하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 헤어핀 공진기가 가지고 있는 Q 값이 손실 없이 발진기의 능동소자에 전달될 수 있도록 결합 선로의 간격을 조정하여 공진기 필터의 Q 값을 유지하도록 하는 고임피던스 인버터를 이용하였다 [12].
이 때 loaded Q의 증가는 결국 발진주파수 근처의 위상잡음 특성이 개선됨을 의미 한다. 이론적으로는 마이크로스트립 전송라인의 임피던스를 높게 할수록 공진주파수 근처에서 reactance, Im(Z_g)성분 변화의 기울기가 급격하고, loss Re(Z_g) 성분이 작아지지만 실제 마이크로스트립 전송라인을 구현함에 있어서 물리적 한계로 인하여 80Ω에서 최적화를 하였다.

대상 데이터

제안한 VCHO를 측정하기 위하여 측정 장비로 Agilent 사의 E4440A PSA를 이용하였다. 또한 안정된 전력 공급과 전압 조절을 위하여 DC 전압공급기는 동사의 E3640A를 사용하였다.
최종 VCHO를 구성하는데 가장 중요한 요소는 제어전압에 따른 발진 주파수의 선형적 변화이다. 이를 위하여 적은 전압의 조정만으로 큰 리액턴스 값을 얻기 용이한 Toshiba사의 바렉터 다이오드 1SV306을 이용하였다 [14].
제안한 VCHO를 측정하기 위하여 측정 장비로 Agilent 사의 E4440A PSA를 이용하였다. 또한 안정된 전력 공급과 전압 조절을 위하여 DC 전압공급기는 동사의 E3640A를 사용하였다.

이론/모형

일반적인 발진기의 비선형 설계 방법은 주파수 영역 해석, FDSB(Frequency Domain Spectral Balance), HB(Harmonic Balance) 등이 있다 [9, 10]. 본 연구에서는 비교적 설계 방법이 간단한 HB 해석 설계 방법을 사용하였다. HB 해석 설계 방법은 <그림 3>과같이 선형회로와 비선형회로의 접점에서 선형 소자의 주파수 해석에 의한 유입전류와 비선형 소자의 시간영역 해석에 의한 유입전류가 KCL(Kirchhoff's Current Law)에 의해 동일하도록 오차 제어하는 알고리즘을 적용하고 원하는 출력을 얻는 방법이다.

성능/효과

또한 기존의 Push-Push 구조의 단점이었던 위상잡음 특성의 감쇠를 임피던스 인버터를 적용함으로써 보상하였다. 18.6GHz의 100kHz offset 주파수에서에서 -101.64dBc/Hz의 위상잡음 특성이 나타났다. 제안된 VCHO는 38.
또한 Push-Push 발진기가 가지는 위상잡음 특성의 저하를 개선하기 위하여 고임피던스 인버터를 적용하였다. 그 결과, 발진 주파수 18.6GHz에서 1.02dBm의 출력전력, -29.16dBc의 기본 주파수 억압 특성과 100kHz offset 지점에서 -101.64dBc/Hz의 위상 잡음 특성을 얻을 수 있었다. 또한, 바렉터 다이오드의 제어를 통해 38.
제안된 발진기는 기본 주파수가 아닌 2차 고조파를 이용하기 때문에 하나의 발진기 회로로써 주파수 체배기를 사용할 때보다 소형화 할 수 있다는 장점을 가진다. 또한 임피던스 인버터를 적용한 VCHO를 제작하여 우수한 위상잡음 특성을 유지할 수 있었다.
64dBc/Hz의 위상 잡음 특성을 얻을 수 있었다. 또한, 바렉터 다이오드의 제어를 통해 38.30MHz의 발진 주파수 동조 대역 특성과 ±0.19dB의 평탄도 특성을 얻을 수 있었다.
제안된 VCHO는 38.3MHz의 주파수 동조 대역폭을 나타내었으며, 동조 대역 내에서 ±0.19dB의 평탄도를 보였다.
제안된 발진기는 기본 주파수가 아닌 2차 고조파를 이용하기 때문에 하나의 발진기 회로로써 주파수 체배기를 사용할 때보다 소형화 할 수 있다는 장점을 가진다. 또한 임피던스 인버터를 적용한 VCHO를 제작하여 우수한 위상잡음 특성을 유지할 수 있었다.
다음 <표 1>은 본 연구에서 제안한 VCHO의 측정 결과를 정리한 표이다. 측정 결과 기존의 기본 주파수 발진기를 이용한 Push-Push 발진기에 비해 제안된 구조를 가지는 발진기는 개선된 기본 주파수 억압특성이 나타났다. 또한 기존의 Push-Push 구조의 단점이었던 위상잡음 특성의 감쇠를 임피던스 인버터를 적용함으로써 보상하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선형 발진기 설계방법에는 비선형 해석이 왜 필요한가요?	선형 발진기 설계방법은 FET의 비선형 특성에 의한 고조파 신호의 정도를 예측할 수 없으므로, 고조파 발진기의 설계를 위해서 비선형 해석이 반드시 필요하다. 일반적으로 FET 발진기에서의 고조파 출력신호는 소자의 비선형성, 바이어스 설정에 의한 전류 정류 작용에 발생된다 [7, 8].
	초고주파 발진기의 위성잡음 특성에 영향을 주는 주요 요인에는 무엇이 있나요?	초고주파 발진기의 위성잡음 특성에 영향을 주는 주요 요인으로는 반도체 소자의 flicker 잡음, 대신호 조건에서의 잠음지수 및 공진기의 특성 등 여러 가지가 있다. 이 중 상향 변환된 flicker 잡음을 줄이는 방법으로는 낮은 잡음의 능동소자 선택, high Q 공진기 사용, 적절한 바이어스 설정 등의 일반적 방법 외에 외부 피드백 회로 삽입 방식이나 피드포워드 증폭기 방식으로서 flicker 잡음을 상쇄시키는 경우가 있다[11].
	K-band 대역의 새로운 구조의 VCO를 제안하였는데, 이 발진기는 어떤 장점을 가지나요?	제안된 발진기는 기본 주파수가 아닌 2차 고조파를 이용하기 때문에 하나의 발진기 회로로써 주파수 체배기를 사용할 때보다 소형화 할 수 있다는 장점을 가진다. 또한 임피던스 인버터를 적용한 VCHO를 제작하여 우수한 위상잡음 특성을 유지할 수 있었다.

참고문헌 (15)

R. Kohno, "ITS and mobile multi-media communicationin Japan," Proc. Telecommunication Technique Workshop for ITS, pp. 9-33, May 2000.
F. Kuo, W. Effelsbery, and J. J. Garcia- Luna Aceves, Multimedia Communications, Prentice Hall 1998.
ETRI & Gartner Consulting, 50대 전략품목 시장보고서:Telematics, ETRI, 2001. 10.
최숙양, 신재명, 한대철, 문학룡, "국도 ITS 위성통신 도입여건에 관한 연구," 한국ITS학회 추계 학술대회 논문집, pp. 97-102, 2005. 11.
KT, 위성 통신 및 단거리전용 통신을 이용한 지 능형 교통서비스 시스템 및 그 방법, 특허등록 번호 1007881570000, 2007.
P. Miller, "Ka-band-The future of satellite communication?," Satellite & Broadband Magazine, pp. 12-28, Sept. 2007.
J. Lin and T. Itoh, "Tunable active bandpass filters using three-terminal MESFET varactors," IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., vol. 2, pp. 921-924, June 1992.
W. R. Curtice and M. Ettenberg, "A nonlinear GaAs FET model for use in the design of output circuits for power amplifiers," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 33, no. 12, pp. 1383-1394, Dec. 1985.

상세보기
V. Hwang and T. Itoh, "An effective approach for large-signal modeling and analysis of the GaAs MESFET," IEEE Trans. Microwave Theory Tech.,vol. 35, pp. 396-402, April 1987.

상세보기
S. A. Maas, Nonlinear Mcrowave and RF circuits,Artech House, Norwood, 2003.
J. K. A. Everard and C. Broomfield, "Flicker noise removal in microwave oscillators using GaAs based feedforward amplifier," Proc. IEEE Int. Frequency Control Symp., pp. 156-160, June 2001.
Y. D. Lee, M. H. Lee, K. H. Lee, W. P. Hong, and U. S. Hong, "Voltage-controlled Hair-pin resonator oscillator with new tuning mechanism," Electron. Lett., vol. 17, pp. 1470-1471, Aug. 2000.
M. Q. Lee, K. K. Ryu, and I. B. Yom, "Phase noise reduction of microwave HEMT oscillators using a dielectric resonator coupled by a high impedance inverter," ETRI Journal, vol. 23, no. 4, pp. 199-200, Dec. 2001.

원문보기 상세보기
Toshiba, 1SV306 data sheet, 1997.
H. Xiao, T. Tanaka, and M. Aikawa, "Push-push oscillator with simplified circuit structure," Electron. Lett., vol. 24, pp. 1545-1547, Nov. 2002.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증