[논문]Ku 밴드 수신단을 위한 저잡음 증폭기 및 주파수 혼합기 설계

최혁재; 고재형; 김군태; 이제광; 김형석

doi:10.5370/kiee.2012.61.2.257

문제 정의

본 논문에서는 열차/지하철의 객실 또는 승강장을 감시하기 위한 무선영상전송장치를 제안하고 영상전송을 위한 RF 모듈에 적용 가능한 18GHz 대역의 저잡음 증폭기 및 주파수 혼합기를 설계하였다. 제안한 RF 수신 중계기는 고이득 특성가져야 하며 이를 위해 설계한 18GHz 대역의 저잡음 증폭기는 잡음을 최소화 하며 이득을 최대화하기 위해 2단 하이브리드 증폭기 구조로 설계하였다.
본 연구는 열차/지하철의 객실 감시 또는 승강장 감시 장치에 사용되는 통신장치의 개발에 있어 기존 통신 장치와의 간섭을 최소화하고 통신의 안정성을 향상시킬 수 있도록 하기 위하여 상용 주파수가 아닌 전용 주파수를 할당하였다. 이에 RF 통신을 하기 위한 무선 송수신부의 장비 개발이 필요한데 본 논문에서는 수신부에 적용할 수 있는 18GHz대역의 저잡음 증폭기와 주파수 혼합기를 설계하였다.
또한, 굽은 선로, 인접 역사를 고려하여 전 구간 지속적인 통신이 가능하도록 여러 채널을 사용하여 지속적인 통신이 가능하도록 한다[2]. 이를 위해 본 논문에서는 지하철/역사 무선영상전송을 위한 시스템에 적용할 수 있는 저잡음 증폭기 및 주파수 혼합기를 제안하였다.
본 연구는 열차/지하철의 객실 감시 또는 승강장 감시 장치에 사용되는 통신장치의 개발에 있어 기존 통신 장치와의 간섭을 최소화하고 통신의 안정성을 향상시킬 수 있도록 하기 위하여 상용 주파수가 아닌 전용 주파수를 할당하였다. 이에 RF 통신을 하기 위한 무선 송수신부의 장비 개발이 필요한데 본 논문에서는 수신부에 적용할 수 있는 18GHz대역의 저잡음 증폭기와 주파수 혼합기를 설계하였다. 많은 용량의 데이터(많은 채널의 모니터링 영상)를 처리해야 하면서 실시간 감시를 위한 양질의 모니터링 영상을 출력해야 하기 때문에 RF 잡음 특성과 고조파특성에 대해 고려할 필요가 있다.

제안 방법

180°하이브리드 결합기는 90° 하이브리드의 형태를 기준으로 하여 (2)번 포트에 전기적 길이 90°를 연장하여 설계하였다.
180°하이브리드 결합기와 쇼트키 다이오드를 이용하여 18GHz에서 동작하는 단일 평형 다이오드 주파수 혼합기를 설계하였다.
다단 증폭기의 경우 위의 수식에서 알 수 있듯이 첫 번째 단은 잡음지수가 두 번째 단은 이득이 중요하다. 그러므로 본 논문에서는 첫 번째 단의 공통소스 증폭기는 잡음지수를 고려하여 잡음지수 매칭을 하였고, 두 번째 단은 이득을 최대화하기 위해 이득 매칭을 하였다. 그림 5는 스미스 차트에서의 잡음지수 매칭과 이득 매칭을 한 결과이다.
따라서 본 연구에서는 마이크로 스트립 선로를 이용한 180°하이브리드 3dB 결합기와 쇼트키 다이오드를 이용하여 18GHz에서 동작하는 호모다인 수신기에 적용 가능한 단일 평형 수동 주파수 혼합기를 설계하였다.
또한, 180° 하이브리드 결합기를 주파수 혼합기의 입력단에 연결하여 입력 포트간의 격리도를 향상 시키고, 입력 신호를 균일하게 분배시켰다.
반대로 두 번째 단에서는 첫 번째 단에서 설계 목표에서 부족한 이득을 더욱 증폭하기 위해 이득 매칭을 하여 첫 번째 단에서 부족한 이득을 증폭하여 이득을 향상시켰다[3][4][5]. 또한, 높은 주파수 특성상 적용하기 어려운 R, L, C 소자대신 마이크로스트립 라인을 활용하여 설계하였다. 트랜지스터는 18GHz 대역에서 충분한 이득과 잡음 특성을 만족하는 NEC 社의 NE3210S01을 사용하였으며, NEC 社에서는 ADS Tool과 연동하는 소자 Library를 제공한다.
또한, 주파수 혼합기는 10GHz 대역 이상에서 인접 주파수의 불필요한 신호에 대한 억제를 위해 스퓨리어스 특성에 강하도록 연구 및 설계하였다. 3dB 커플러를 이용하여 주파수 혼합기에 들어가는 국부발진기 신호의 위상을 180°차로 입력하여 불요파 특성을 향상하였다.
이는 지하철 무선 영상 시스템에서 다수 채널에서 수신되는 영상신호 간의 간섭에 강인한 특징을 갖는다. 또한, 초고주파 대역에서도 구현이 간단하고 선형특성이 우수한 수동소자 방식으로 설계하였다.
본 논문에서는 Vgs=-0.1V, Vdd=2V로 하여 40mA의 전류가 흐르도록 설계하였고, 그림 4에서 보듯이 트랜지스터가 포화 영역에서 동작함을 알 수 있었다. 안정도의 모의실험 결과를 식 3에 적용한 결과 1.
즉, 이득은 다단의 경우 총 합으로 출력되기 때문에 많은 증폭기를 연결하면 목표치를 충분히 만족하도록 설계할 수 있지만, 잡음 지수는 가장 첫 번째 단 증폭기의 잡음 지수가 전제 증폭기의 성능을 좌우한다고 볼 수 있다. 본 논문에서는 그림 3과 같이 2단 공통소스 증폭기를 구성하였으며, 식 1,2에서 볼 수 있듯이 잡음 지수를 향상시키면서 이득을 최대화하기 위해 첫 번째 단에서는 이득보다는 잡음특성의 향상시키기 위해 중점을 두어 설계하였고, 두 번째 단에서는 이득을 향상시키기 위해 설계하였다.
설계한 2단 저잡음 증폭기는 첫 번째 단에서는 잡음지수를 최소화하기 위해 일반적으로 RF 회로에서 사용하는 50Ω 임피던스 매칭이 아닌 잡음 지수 매칭을 하여 잡음 지수 특성을 향상시켰다.
저잡은 증폭기는 2단 공통 소스 구조를 적용하였다. 그림 2는 여러 증폭기가 다단으로 연결 될 경우 이득과 잡음 지수를 나타내기 위한 블럭도이다.
저잡음 증폭기는 2단 증폭기로 설계하였으며 첫 번째 단은 잡음지수를 최소화하기 위해 잡음 매칭을 하였고 두 번째 단은 이득 매칭을 하여 설계하였다. 그 결과 이득(S21)은 약 19dB이고, 잡음지수는 약 2dB를 갖는다.
저잡음 증폭기를 설계하기 위해서 먼저 트랜지스터가 증폭기로서 동작하는 포화 영역에서 최대 이득과 최소 잡음지수를 갖도록 동작점 및 안정도를 확인한다. 식 3은 안정도를 판하는 수식이다.
본 논문에서는 열차/지하철의 객실 또는 승강장을 감시하기 위한 무선영상전송장치를 제안하고 영상전송을 위한 RF 모듈에 적용 가능한 18GHz 대역의 저잡음 증폭기 및 주파수 혼합기를 설계하였다. 제안한 RF 수신 중계기는 고이득 특성가져야 하며 이를 위해 설계한 18GHz 대역의 저잡음 증폭기는 잡음을 최소화 하며 이득을 최대화하기 위해 2단 하이브리드 증폭기 구조로 설계하였다.

대상 데이터

그림 9는 단일 평형 수동 주파수 혼합기의 기본 구조를 나타내었다. 쇼트키 다이오드는 잡음 지수가 낮고 고속 동작이 우수한 Kodenshi사의 KMB-N56-1를 사용하였으며 설계에 필요한 파라미터는 추출하는 방법대신 제조사에서 제공한 것을 이용하였다. 회로제작에 사용된 기판은 ROGERS 사의 RO4003C이다.
그림 6, 7은 설계된 2단 구조 저잡음 증폭기 및 그 레이아웃이다. 제작에 사용할 기판은 Duroid 5870을 사용할 예정이며 유전율은 2.33이다. 실제 제작하여 검증하여 모의실험 결과를 검증할 필요가 있다고 사료된다.
또한, 높은 주파수 특성상 적용하기 어려운 R, L, C 소자대신 마이크로스트립 라인을 활용하여 설계하였다. 트랜지스터는 18GHz 대역에서 충분한 이득과 잡음 특성을 만족하는 NEC 社의 NE3210S01을 사용하였으며, NEC 社에서는 ADS Tool과 연동하는 소자 Library를 제공한다.
쇼트키 다이오드는 잡음 지수가 낮고 고속 동작이 우수한 Kodenshi사의 KMB-N56-1를 사용하였으며 설계에 필요한 파라미터는 추출하는 방법대신 제조사에서 제공한 것을 이용하였다. 회로제작에 사용된 기판은 ROGERS 사의 RO4003C이다.

성능/효과

(2)번 포트와 (3)번 포트에서 동위상인 RF 신호는 국부발진기전력을 통해 구동된 다이오드를 통해 IF 신호로 더해지지만, 국부발진기신호에 부가된 잡음은 다이오드 양단에서 180°위상차로 인해 제거된다.
3dB 커플러를 이용하여 주파수 혼합기에 들어가는 국부발진기 신호의 위상을 180°차로 입력하여 불요파 특성을 향상하였다.
999GHz로 출력 신호가 1MHz로 변환하여 출력한다. 그 결과 RF Power가 -20dBm, 국부발진기 power가 7dBm이 입력되었을 때 IF 출력 Power는 약 -31.2dBm으로 약 12dB의 변환손실을 가지며, 주파수 혼합기의 선형성을 판단하는 IIP3는 21dBm의 결과를 확인하였다.
그리고 (2),(3)번 포트에 연결되는 다이오드의 방향과 국부발진기 신호의 180°위상차로 인해 국부발진기의 짝수 고조파 성분의 제거가 가능하며, IF 단에서는 국부발진기 전압이 0이 됨으로서 IF/국부발진 격리도를 높일 수 있다.
모의실험 결과 1MHz의 출력 주파수에서 12dB의 변환손실을 가지며 20dBm이상의 입력 신호 동작이 가능하였다. 이를 통해 설계된 주파수 혼합기가 18GHz 수신단에 활용할 수 있음을 알 수 있다.
1V, Vdd=2V로 하여 40mA의 전류가 흐르도록 설계하였고, 그림 4에서 보듯이 트랜지스터가 포화 영역에서 동작함을 알 수 있었다. 안정도의 모의실험 결과를 식 3에 적용한 결과 1.25로 1보다 큰 값을 가짐으로써 회로가 안정적으로 동작함을 확인하였다. 표 2는 본 논문에서 설계하기 위한 저잡음 증폭기의 설계 목표이다.
표 3을 통해 목표 주파수에서 이득과 잡음지수가 만족하고, 입출력 반사손실 또한 -15dB이하의 값을 가지는 것을 확인 할 수 있다.

후속연구

812dB의 변환손실을 갖는 것을 알 수 있다. 3dB 주파수 결합기를 통하면서 3dB의 손실을 감안하면 결합기를 제외한 주파수 혼합기만의 변환손실은 8.812dB이 되며 향후 개선을 통하여 주파수 혼합기의 성능개선이 가능하다고 사료된다.
본 논문에서 설계한 잡음 특성 개선한 저잡음 증폭기와 스퓨리어스 특성을 개선한 주파수 혼합기를 통해 지하철 영상 감시를 위하여 잡음을 최소화하고 타 신호에 영향을 적게 받으며 양질의 모니터링 RF 수신부에 적용 할 수 있을 것으로 사료된다.
33이다. 실제 제작하여 검증하여 모의실험 결과를 검증할 필요가 있다고 사료된다.
26GHz의 주파수 대역을 ‘안전 및 공공 목적을 위한 지하철(철도 포함)의 무선영상 전송장치’용으로 사용하기로 결정하였다[1]. 이는 기존의 WLAN에서 있던 주파수 간섭 및 단거리 통신에 대한 단점을 극복하고 장거리 통신이 가능하고 무선영상통신 뿐 아니라 다양한 부가 서비스 제공이 가능할 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주파수 혼합기는 구조에 따라 어떻게 나눌 수 있는가?	이에 비해 수동 주파수 혼합기는 별도의 직류전원이 필요하지 않으므로 구현이 간단하며 설계의 유연성 확보에 용이하다. 주파수 혼합기는 또한 구조에 따라 단일 구조, 단일 평형구조 및 이중 평형구조로 나눌 수 있다. 평형구조는 입력과 출력에 영향을 주는 공통된 잡음을 없앨 수 있어 공통-모드 효과를 줄일 수 있는 장점을 가진다.
	최근 정부에서 더 많은 대중교통 이용을 장려하는 이유는 무엇인가?	최근 대도시의 교통난 해소를 위해 정부에서는 더 많은 대중교통의 이용을 장려하고 있다. 그러나 지하철 이용 승객이 증가함에 따라 지하철 화재 사고나 승객 추락사고 등과 같은 안전사고에 더욱 노출되어 된다.
	최근 정부에서 장려하는 대중교통의 이용은 어떤 문제에 노출되게 되는가?	최근 대도시의 교통난 해소를 위해 정부에서는 더 많은 대중교통의 이용을 장려하고 있다. 그러나 지하철 이용 승객이 증가함에 따라 지하철 화재 사고나 승객 추락사고 등과 같은 안전사고에 더욱 노출되어 된다. 특히 출, 퇴근 시간대에 많은 승객들이 지하철을 이용하면서 승강장과 객실은 많은 유동인구가 협소한 공간에 밀집해 있기 때문에 작은 안전사고부터 대형사고까지 이를 빠르게 대처할 수 있는 모니터링 시스템이 필요하다.

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