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문제 정의
- 5배 증가한다. 따라서 본 논문에서는 이런 장점을 갖는 밀리미터파 대역의 탐색기용 주파수 합성기를 설계하였다.
- 본 논문에서는 Ka 대역 밀리미터파 탐색기용 주파수 합성기를 설계하였다. DDS를 이용한 하이브리드 방식을 이용하여 낮은 위상 잡음, 높은 주파수 해상도와 불요파 특성과 고속 스위칭 시간을 만족하였다.
제안 방법
- 클럭 주파수 생성을 위한 LO2 합성부는 기준 신호 생성부에서 입력받은 기준 신호를 사용하여 아날로그 Integer-N PLL 방식을 사용하여 생성하였다. DDS의 출력 주파수 특성은 DDS의 입력 클럭에 의해서 영향을 받게 되므로 위상 고정시간은 고려하지 않고 최적의 위상 잡음을 만족하도록 설계되었다.
- 고주파 신호 생성부의 기판은 Duroid 5880(T=5 mil)을 사용하여 제작하였으며, 윗면의 고주파 송신신호 생성부의 부품 대부분이 bare chip 타입이기 때문에 MMIC 조립 공정을 사용하여 조립하였다. 또한, bare chip 부품들 각각의 특성을 검증하여야 하므로 시험 모듈과 시험 캐리어를 구성하였다. 실제 제작시 조립의 용이성을 위하여 능동 소자와 수동 소자를 적당히 블록으로 묶어 6개의 캐리어로 제작하여 블록별 시험을 수행하였다.
- 실제 제작시 조립의 용이성을 위하여 능동 소자와 수동 소자를 적당히 블록으로 묶어 6개의 캐리어로 제작하여 블록별 시험을 수행하였다. 또한, 온도 변화에 대한 출력 레벨의 변화를 줄이기 위해 TCA(Thermal Compensation Attenuator)를 이용하여 소자의 온도에 따른 변화를 보상하였으며, bare chip 상태의 부품들의 온도 변화가 심하기 때문에 LO1 출력의 마지막 증폭기는 출력 레벨을 포화시켜 온도에 대한 변화를 줄였다.
- 네 번째로 저역주파수 합성부에서 합성된 광대역 신호를 PLDRO(Phase Locked Dielectric Resonator Oscillator)에서 생성된 신호와 서브 하모닉 믹서를 통해 혼변조하여 최종 LO1 신호를 생성하는데, 이때 LO1 신호의 출력 위상 잡음은 혼변조시 저역주파수신호와 PLDRO 출력 신호의 위상 잡음과 비교했을 때 PLDRO의 위상 잡음이 상대적으로 높은 위상 잡음을 가지고 있으므로 LO1 위상 잡음은 PLDRO 출력 신호의 위상 잡음 특성을 따라 갈 것을 예측하였다. 또한, 혼변조시 발생하는 혼합기의 비선형적 특성에 의해서 발생하는 대역 외의 불요파를 제거하기 위하여 그림 3과 같이 LO1 대역 통과 여파기를 설계하였다.
- 밑면에는 FR4 기판을 사용하여 기준 신호 생성부, LO2 신호 생성부, 디지털 제어부, 저역주파수 합성부로 제작하였다.
- 또한, bare chip 부품들 각각의 특성을 검증하여야 하므로 시험 모듈과 시험 캐리어를 구성하였다. 실제 제작시 조립의 용이성을 위하여 능동 소자와 수동 소자를 적당히 블록으로 묶어 6개의 캐리어로 제작하여 블록별 시험을 수행하였다. 또한, 온도 변화에 대한 출력 레벨의 변화를 줄이기 위해 TCA(Thermal Compensation Attenuator)를 이용하여 소자의 온도에 따른 변화를 보상하였으며, bare chip 상태의 부품들의 온도 변화가 심하기 때문에 LO1 출력의 마지막 증폭기는 출력 레벨을 포화시켜 온도에 대한 변화를 줄였다.
- 위와 같이 여러 가지 주파수 합성기 구현 방법 중에서 탐색기와 같은 고성능의 레이더 시스템에서 적용하는 주파수 합성기의 성능은 레이더의 탐지/추적 등 성능에 직결되기 때문에 고해상도, 낮은 위상 잡음, 빠른 위상 고정 시간 및 우수한 불요파 억압 특성을 갖는 하이브리드 주파수 합성 방식을 사용하여 Ka 대역 밀리미터파 탐색기에 사용되는 소형화된 주파수 합성장치를 설계하였다.
- 5 MHz)를 생성한다. 이렇게 생성된 DDS 출력 주파수를 동기 신호로 하는 하이브리드 형태의 Inter-N PLL을 구현하여 최종 출력 대역폭이 1 GHz인 광대역 저역주파수 합성부를 구현하였다.
- DDS를 이용한 하이브리드 방식을 이용하여 낮은 위상 잡음, 높은 주파수 해상도와 불요파 특성과 고속 스위칭 시간을 만족하였다. 이렇게 제작된 주파수 합성기의 특성이 기존의 제작 논문과 비교했을 때의 성능을 표 3에 비교하여 보았다. 표에서 비교하였듯이 참고 문헌에 나와 있는 주파수 합성기 대비 높은 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
- 주파수 합성기의 소형화를 위해 모듈의 윗면과 밑면을 사용하는 구조를 사용하여 모듈의 크기를 소형화 하였으며, 제작된 크기는 170(W)×160(L)×30(H) mm3이다.
대상 데이터
- 그림 5를 살펴보면 윗면에는 전원부, 보정 신호 생성부 및 고주파 신호 생성부로 구성되어 있었다. 고주파 신호 생성부의 기판은 Duroid 5880(T=5 mil)을 사용하여 제작하였으며, 윗면의 고주파 송신신호 생성부의 부품 대부분이 bare chip 타입이기 때문에 MMIC 조립 공정을 사용하여 조립하였다. 또한, bare chip 부품들 각각의 특성을 검증하여야 하므로 시험 모듈과 시험 캐리어를 구성하였다.
데이터처리
- 마지막으로 표 2에 최종 측정된 결과를 목표 성능과 비교하여 나타내었다. 표에서 보듯이 목표 성능을 모두 만족하였다.
이론/모형
- 두 번째로 DDS(DS872)[2] 클럭 주파수 생성을 위한 LO2 합성부는 기준 신호 생성부에서 입력받은 기준 신호를 사용하여 아날로그 Integer-N PLL 방식을 사용하여 생성하였다. DDS의 출력 주파수 특성은 DDS의 입력 클럭에 의해서 영향을 받게 되므로 위상 고정시간은 고려하지 않고 최적의 위상 잡음을 만족하도록 설계되었다.
성능/효과
- 1 GHz 대역폭에서의 출력 레벨의 평탄도는 약 ±0.7 dB로서 목표 규격을 만족하는 성능을 보이고 있다.
- 본 논문에서는 Ka 대역 밀리미터파 탐색기용 주파수 합성기를 설계하였다. DDS를 이용한 하이브리드 방식을 이용하여 낮은 위상 잡음, 높은 주파수 해상도와 불요파 특성과 고속 스위칭 시간을 만족하였다. 이렇게 제작된 주파수 합성기의 특성이 기존의 제작 논문과 비교했을 때의 성능을 표 3에 비교하여 보았다.
- 네 번째로 저역주파수 합성부에서 합성된 광대역 신호를 PLDRO(Phase Locked Dielectric Resonator Oscillator)에서 생성된 신호와 서브 하모닉 믹서를 통해 혼변조하여 최종 LO1 신호를 생성하는데, 이때 LO1 신호의 출력 위상 잡음은 혼변조시 저역주파수신호와 PLDRO 출력 신호의 위상 잡음과 비교했을 때 PLDRO의 위상 잡음이 상대적으로 높은 위상 잡음을 가지고 있으므로 LO1 위상 잡음은 PLDRO 출력 신호의 위상 잡음 특성을 따라 갈 것을 예측하였다. 또한, 혼변조시 발생하는 혼합기의 비선형적 특성에 의해서 발생하는 대역 외의 불요파를 제거하기 위하여 그림 3과 같이 LO1 대역 통과 여파기를 설계하였다.
- 측정 결과 약 9 μs 이하의 스위칭 시간을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
- 그림 13은 주파수 합성기의 불요파 특성을 측정한 결과이다. 측정 결과를 보면 대역 내에서는 약 -68.9 dBc의 불요파 특성을 가지며, 대역 외에서는 약 -63 dBc의 우수한 불요파 특성을 갖는 것을 확인하였다.
- 이렇게 제작된 주파수 합성기의 특성이 기존의 제작 논문과 비교했을 때의 성능을 표 3에 비교하여 보았다. 표에서 비교하였듯이 참고 문헌에 나와 있는 주파수 합성기 대비 높은 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 향후에 본 주파수 합성기를 업그레이드하여 사이즈를 더욱 소형화 하고, 5 us 이하의 더욱 빠른 스위칭 시간을 갖도록 연구할 예정이며, 본 주파수 합성기를 레이더 체계 및 유도탄 체계 등 다양한 시스템에 적용하도록 할 예정이다.
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