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문제 정의
- 본 논문에서는 일반적인 마이크로스트립 선로를 사용한 공진기보다 Q 특성이 나은 SSL 공진기를 사용하여 우수한 위상 잡음 특성을 가지는 새로운 발진기를 설계 제작하였으며, 그 특성을 분석해 보았다. 또한, 새로운 MSL - SSL 전이 구조를 이용하여 마이크로스트립 기반의 회로와 SSL 기반의 회로를 용이하게 결합할 수 있도록 하였다.
- 이를 보완하기 위해 본 논문에서는 서스펜디드 스트립선로(Suspended-Stripline: SSL)를 이용한 새로운 발진기 제작을 제안하였다. SSL은 전자파가 공기 중으로 진행되는 구조이므로 유전체에 의한 에너지 손실이 적고, 이에 따라 Q 특성 값은 일반적인 마이크로스트립 선로의 Q 특성 값인 100～150보다 높은 250～500의 값을 가지게 된다.
제안 방법
- 공진기는 그림 7에서와 같이 식 (1)～(3)을 이용하여 R, L, C 공진기 등가 모델로 구성한 후 시뮬레이션하였다. 계산되어진 등가 모델을 회로 나머지 부분과 결합하여 MSL 에서 전체 회로를 설계하였다. 우선 개방 스터브 (open stub)의 길이를 6.
- 본 논문에서는 우수한 Q 특성을 가지는 SSL 공진기를 설계하였고, 발진기 회로의 나머지 부분은 MSL 회로 기반으로 구현하였다. 그리고 MSL - SSL 전이 구조[2]를 사용하여 두 구조를 서로 연결함으로써 각 전송 선로의 장점을 이용한 설계를 하였으며, SSL의 하우징 구조에 장착된 튜너를 조절하여 기계적으로 발진 주파수를 조절할 수 있도록 발진기를 제작하였다.
- 또한, 새로운 MSL - SSL 전이 구조를 이용하여 마이크로스트립 기반의 회로와 SSL 기반의 회로를 용이하게 결합할 수 있도록 하였다. 또한, SSL 하우징에 튜너를 장착함으로써 기계적으로 발진 주파수를 조절이 가능하도록 하였다. 그 결과로서 MSL 공진기를 이용한 발진기의 위상 잡음보다 우수한 발진기를 제작할 수 있었다.
- 27 mm의 값을 찾아 사용하였다. 또한, 발진기의 출력단 선로 길이인 l4를 14.79 mm, l5를 3.56 mm로 매칭 단을 구성하여 설계하였다. 최종적으로 그림 8의 레이아웃을 얻을 수 있었다[5].
- 본 논문에서는 일반적인 마이크로스트립 선로를 사용한 공진기보다 Q 특성이 나은 SSL 공진기를 사용하여 우수한 위상 잡음 특성을 가지는 새로운 발진기를 설계 제작하였으며, 그 특성을 분석해 보았다. 또한, 새로운 MSL - SSL 전이 구조를 이용하여 마이크로스트립 기반의 회로와 SSL 기반의 회로를 용이하게 결합할 수 있도록 하였다. 또한, SSL 하우징에 튜너를 장착함으로써 기계적으로 발진 주파수를 조절이 가능하도록 하였다.
- 본 논문에서는 우수한 Q 특성을 가지는 SSL 공진기를 설계하였고, 발진기 회로의 나머지 부분은 MSL 회로 기반으로 구현하였다. 그리고 MSL - SSL 전이 구조[2]를 사용하여 두 구조를 서로 연결함으로써 각 전송 선로의 장점을 이용한 설계를 하였으며, SSL의 하우징 구조에 장착된 튜너를 조절하여 기계적으로 발진 주파수를 조절할 수 있도록 발진기를 제작하였다.
- 시뮬레이션은 공진기와 튜너 사이의 간격을 2.03 mm에서 1.03 mm까지 가변시켜 가며 진행하였으며, 식 (1)과 (2), (3)을 이용하여 등가회로 값을 얻어 내었다.
- 계산되어진 등가 모델을 회로 나머지 부분과 결합하여 MSL 에서 전체 회로를 설계하였다. 우선 개방 스터브 (open stub)의 길이를 6.86 mm로 l3값을 결정해 주어 부성 저항의 발진 조건을 만족시켜 주었다. l1값의 경우 SSL 공진기에서부터 전이 구조까지의 위상과 MSL에서의 위상이 같지 않아 식 (10)과 (11)을 이용하여 MSL에서의 길이로 새롭게 계산해 주어야 한다.
- 이 파장 길이를 이용하여 공진기에서 전이 구조까지의 전기적 길이 30°를 구하였다.
대상 데이터
- SSL 공진기는 그림 2와 같이 RO4003, 8 mil(εr =3.38) 기판을 사용하여 λ/2 헤어핀 구조로 설계하였으며, CST microwave studio를 이용하여 시뮬레이션 하였다.
- SSL의 50 Ω 선로는 너비 w1은 3.81 mm, 길이 l1은 18.52 mm로 정하였고, MSL과 SSL 사이의 전이 구조 길이 s는 1.27 mm로 설계하였다.
- 발진기는 RO4003, 두께 8 mil 기판에 NEC사의 NE72218 트랜지스터를 사용하여 3 V 10 mA의 셀프바이어스(self bias)의 구조로 설계하였으며, Ansoft designer를 이용하여 설계하였다. 공진기는 그림 7에서와 같이 식 (1)～(3)을 이용하여 R, L, C 공진기 등가 모델로 구성한 후 시뮬레이션하였다.
성능/효과
- 그림 5의 그래프에서는 주파수에 따른 loaded Q 특성을 보여주고 있다. 3.389 GHz에서 271의 특성을 측정할 수 있었으며, 주파수가 가변됨에 따라 loaded Q 특성이 3.455 GHz에서 215로서 다소 낮아졌음을 확인할 수 있었다. 또한, 실제 측정값은 시뮬레이션 값과는 달리 공진기와 튜너 사이의 거리가 1.
- 또한, SSL 하우징에 튜너를 장착함으로써 기계적으로 발진 주파수를 조절이 가능하도록 하였다. 그 결과로서 MSL 공진기를 이용한 발진기의 위상 잡음보다 우수한 발진기를 제작할 수 있었다.
- 그리고 그림 11에서 볼 수 있듯이 오프셋 100 kHz에서의 위상 잡음 특성은 전체 span을 1 MHz, resolution bandwidth를 10 kHz, video bandwidth를 10 Hz로 설정, marker function기능을 사용하여 측정하였을 때 —108.03 dBc의 특성이 측정되었고, span을 5 MHz, resolution bandwidth를 10 kHz, video bandwid th를 100 Hz로 설정, marker function 기능을 사용하여 측정하였을 때 —135.09 dBc의 특성이 측정되었다.
- 기본 주파수인 3.72 GHz에서 —2.34 dBm의 출력을 나타내며, 중심 주파수에서 안정되게 발진하였고, 기본 주파수와 2차 고조파의 차이는 —6.61 dB가 측정되었다.
- 471 nH, 그리고 loded Q 특성이 294으로 가변되었음을 볼 수 있었다. 따라서 주파수는 102 MHz 가변되었고, loaded Q 특성은 거리가 가까워질수록 조금 낮아졌음을 확인할 수 있었다.
- 455 GHz에서 215로서 다소 낮아졌음을 확인할 수 있었다. 또한, 실제 측정값은 시뮬레이션 값과는 달리 공진기와 튜너 사이의 거리가 1.6 mm 보다 가까워졌을 때 오차가 증가됨을 볼 수 있었다. 이는 실제 제작된 하우징의 튜너 모양과 뚜껑에 있는 튜너를 위한 홈 등을 시뮬레이션에서는 정확히 구현해 낼 수 없었기 때문에 발생한 제작 상 오차이다.
- 09 dBc의 특성이 측정되었다. 이 특성은 표 1에 비교된 것처럼 일반적인 MSL 공진기를 사용하여 구현한 발진기의 위상 잡음 특성보다 더 나은 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제작되어진 발진기를 FOM(Figure Of Merit)으로 비교하기 위하여 식 (12)를 이용하였다.
- 제작된 발진기의 FOM은 —183.81 dBc/Hz @100 kHz이며, 표 1에서 다른 발진기보다 더 나은 특성임을 볼 수 있었다.
- 그림 12에서는 튜너를 조절하여 주파수 가변 후 측정한 값을 보여준다. 튜너를 가변함에 따라 제작 상의 오차로 인해 공진기의 주파수 가변 범위보다는 좁지만, 발진 주파수가 50 MHz 가변되었음을 확인할 수 있었다. 발진기의 가변 범위는 공진기의 가변 범위보다 좁게 측정되었는데, 그 이유는 발진기 구조에 의한 가변 범위가 공진기 자체의 가변 범위보다 좁기 때문이다.
후속연구
- 향후 SSL 구조 개선을 통해 더 높은 Q 특성을 가지는 SSL 공진기에 대한 연구를 할 예정이며, 이를 기반으로 발진기를 개발할 예정이다. 또한, varactor 를 사용하여 VCO(Voltage Controled Oscillator)를 구현하고, PLL(Phase-Locked Loop) 발진기를 구현할 예정이다.
- 향후 SSL 구조 개선을 통해 더 높은 Q 특성을 가지는 SSL 공진기에 대한 연구를 할 예정이며, 이를 기반으로 발진기를 개발할 예정이다. 또한, varactor 를 사용하여 VCO(Voltage Controled Oscillator)를 구현하고, PLL(Phase-Locked Loop) 발진기를 구현할 예정이다.
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