[논문]통신정보용 광대역 저잡음 증폭단 설계 및 구현

고민호

doi:10.13067/jkiecs.2012.7.2.221

통신정보용 광대역 저잡음 증폭단 설계 및 구현
Design and Fabrication of wideband low-noise amplification stage for COMINT 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.7 no.2, 2012년, pp.221 - 226

고민호 (삼성탈레스 전자전센터)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 광대역 (400 MHz~2000 MHz) 2단 증폭단을 설계, 제작 및 측정하였다. 제안한 증폭단은 새로운 구조의 이득제어 방식을 적용하여 고이득, 저잡음지수 및 높은 선형성 특성을 구현하였다. 증폭단은 공통 에미터 구조의 초단 증폭기 및 캐스코드 구조의 가변이득 증폭기. 입력신호의 크기를 감지하는 전력감지회로로 구성하였다. 제안한 증폭단은 설계 대역에서 전체이득 29 dB~37 dB, 잡음지수 1.5 dB을 나타내었고, 강전계 입력 조건에서 전력감지회로에서 발생되는 제어전압 2.0V인 조건에서 3차 상호변조 왜곡 신호의 크기는 측정 장비의 잡음레벨 보다 낮은 특성을 나타내어 높은 선형성 특성을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, wideband two-stage amplification stage was designed, fabricated and evaluated. The proposed amplification stage with a novel gain control method have a high gain, low noise and high linearity performance. It is consisted of common emitter amplifier as the first stage, cascode gain control amplifier as second stage and power detector which sense the received signal strength. The proposed amplification stage shows a total gain of 29 dB~37 dB, noise fiugre of 1.5 dB at operating band and high linearity performance as the IMD (third intermodulation distortion) level is below the noise level of the measurement equipment at the control voltage 2.0 V generated from power detector under the strong electric field condition.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 광대역 (400 MHz∼2000 MHz) 2단 증폭단을 제안하였다.
본 논문에서는 광대역 (400 MHz∼2000 MHz)에서 저잡음, 고이득 및 선형성 특성을 만족하는 전력감지 회로를 이용한 이득제어 증폭단을 제안하였다.
본 논문에서는 그림 1처럼 광대역에서 저잡음과 고이득 특성을 구현하기 위해 공통 에미터 구조의 초단 증폭기와 이득제어가 가능한 캐스코드 구조의 가변이득 증폭기를 종속 연결하여 2단 증폭단으로 구성하였다. 초단 증폭기는 광대역에서 낮은 잡음지수와 적절한 이득 특성을 갖도록 하였고, 가변이득 증폭기는 인가되는 제어 전압에 따라서 이득이 가변되도록 하여 강전계 신호 조건에서 선형적인 동작이 가능하도록 하였다.

제안 방법

1 dB 압축점보다 낮은 -30 dBm 크기를 갖는 8 MHz 채널 간격의 2-톤 신호를 인가한 후 제어전압에 따른 3차 상호변조 특성을 실험하여 가변이득 증폭기의 선형성 특성을 확인하였다. 그림 9에서 보듯이 제어전압의 감소에 따라 이득이 감소되어 2.
가변이득 증폭기는 캐스코드 구조로 구현하였으며, 입력 신호 레벨이 증가함에 따라서 증폭기 이득이 감소하도록 하여 강전계 조건에서 수신기의 선형성 특성을 만족하도록 하였다. 그림 3은 설계한 가변이득 증폭기의 회로도를 나타내었다.
가변이득 증폭기의 최대 이득 조건에서 이득 및 잡음지수 특성을 실험하였다. 최소 이득 조건은 강전계 신호가 입력되는 경우 동작하기 때문에 잡음지수 특성이 수신기 성능에 미치는 영향은 무시할 수 있다.
0 mm 에폭시 기판을 사용하여 그림 5와 같이 저잡음 증폭단을 제작하였다. 공통 에미터 구조의 초단 증폭기와 캐스코드 구조의 가변이득 증폭기를 독립적으로 측정하기 위해 초단 증폭기의 출력에 측정 단자를 삽입하였다.
0 dBm의 특성을 나타내고 있다. 두 채널간의 간격은 8 MHz로 하였고, 입력 신호의 크기는 1dB 압축점보다 낮은 -30 dBm으로 설정하여 측정하였다.
제어전압이 인가됨에 따라 입력 트랜지스터 Q₁의 동작 영역을 포화영역에서 선형 영역으로 변화시켜 증폭기 이득을 조절하였다[4]. 두 트랜지스터 Q₁와 Q₂는 모두 포화영역에서 동작하도록 하였고, 초단 이후에 종속 연결되기 때문에 잡음지수 특성보다는 이득 및 선형성 특성을 주요 설계 목표로 결정하였다. 제어전압에 의해서 트랜지스터 Q₁의 동작점이 바뀌게 되므로 입력과 출력 정합 특성에 변화가 발생한다.
본 논문에서는 기준전압이 없이 입력되는 신호의 크기에 따라서 제어전압을 발생시키는 전력 감지회로를 적용하여 전류 소모량이 작으며, 기준전압이 필요 없기 때문에 회로 구성이 간단하다.
본 논문에서는 낮은 잡음지수와 적절한 이득 특성을 낼 수 있도록 5mA의 컬렉터 전류를 선택하였고 능동소자의 전류-전압 곡선에서부터 VCE = 2.0V, IBB 16uA로 동작점을 선택했으며, 온도 변화에 안정적인 전압분배 바이어스 회로를 사용하였다. 광대역에서 원하는 특성을 구현하기 위해 부궤환 회로[2]를 적용하여 설계 대역에서 이득은 13 dB 이상, 잡음지수는 1.
그림 4는 설계된 전력 감지회로의 구성도를 나타내었다. 임계값인 -10 dBm 이상의 신호가 입력되는 경우 출력 제어전압이 감소하도록 하였고, 특성 곡선은 0.16 V/dB 특성을 갖도록 설계하였다.
제어전압에 의해서 트랜지스터 Q₁의 동작점이 바뀌게 되므로 입력과 출력 정합 특성에 변화가 발생한다. 입력 정합회로는 초단 증폭기의 출력 임피던스와 동일한 임피던스 값을 갖도록 설계하였으며, 출력 정합회로는 일정한 출력 정합특성을 갖도록 공통 콜렉터 구조의 버퍼 증폭기를 사용하였다[5]. 설계된 가변이득 증폭기의 이득은 17 dB∼20 dB이고, 제어전압에 따라 최대 이득에서의 3차 상호 변조 왜곡 특성보다 -50 dB 이상의 개선효과를 갖도록 하였다.
1 dB 이하의 특성을 나타내었고, 병렬 궤환 회로에 의해서 이득 및 잡음 특성은 저하되지만 전체 설계 대역에서 평탄한 이득 및 잡음지수 특성을 구현할 수 있다. 입출력 반사 손실 특성은 병렬 궤환 회로의 궤환 소자를 최적화하여 전체 대역 내에서 입력 반사손실 S₁₁은 -20 dB 이하, 출력 반사손실 S₂₂는 -10 dB 이하의 특성을 갖도록 하였고, 0 dBm 이상의 IIP3 특성을 갖도록 하였다. 그림 2는 공통 에미터 증폭기의 회로도를 나타내었다.
본 논문에서는 광대역 (400 MHz∼2000 MHz) 2단 증폭단을 제안하였다. 제안한 증폭단은 공통 에미터 구조의 초단 증폭기, 캐스코드 구조의 가변이득 증폭기 및 전력감지회로로 구성하였다.
그림 3은 설계한 가변이득 증폭기의 회로도를 나타내었다. 제어전압이 인가됨에 따라 입력 트랜지스터 Q₁의 동작 영역을 포화영역에서 선형 영역으로 변화시켜 증폭기 이득을 조절하였다[4]. 두 트랜지스터 Q₁와 Q₂는 모두 포화영역에서 동작하도록 하였고, 초단 이후에 종속 연결되기 때문에 잡음지수 특성보다는 이득 및 선형성 특성을 주요 설계 목표로 결정하였다.
본 논문에서는 그림 1처럼 광대역에서 저잡음과 고이득 특성을 구현하기 위해 공통 에미터 구조의 초단 증폭기와 이득제어가 가능한 캐스코드 구조의 가변이득 증폭기를 종속 연결하여 2단 증폭단으로 구성하였다. 초단 증폭기는 광대역에서 낮은 잡음지수와 적절한 이득 특성을 갖도록 하였고, 가변이득 증폭기는 인가되는 제어 전압에 따라서 이득이 가변되도록 하여 강전계 신호 조건에서 선형적인 동작이 가능하도록 하였다. 전력 감지회로는 혼합기 출력 신호의 크기를 검출하여 가변이득 증폭기의 이득을 제어하기 위한 제어전압을 발생시켜준다.

대상 데이터

본 논문에서 제안하는 광대역 저잡음 증폭단의 성능을 검증하기 위해 비유전율 4.6, 기판 두께 1.0 mm 에폭시 기판을 사용하여 그림 5와 같이 저잡음 증폭단을 제작하였다. 공통 에미터 구조의 초단 증폭기와 캐스코드 구조의 가변이득 증폭기를 독립적으로 측정하기 위해 초단 증폭기의 출력에 측정 단자를 삽입하였다.

성능/효과

(a) 처럼 VHF/UHF 대역에서 잡음지수는 1.8 dB 특성을 나타내고 있지만, 입력 및 출력 단자에 사용된 커넥터 및 측정 케이블 손실 0.5 dB를 고려하면 설계 결과와 유사한 1.5 dB 이하의 잡음지수 특성과 21 dB 이득 특성을 갖는다.
0V, IBB 16uA로 동작점을 선택했으며, 온도 변화에 안정적인 전압분배 바이어스 회로를 사용하였다. 광대역에서 원하는 특성을 구현하기 위해 부궤환 회로[2]를 적용하여 설계 대역에서 이득은 13 dB 이상, 잡음지수는 1.1 dB 이하의 특성을 나타내었고, 병렬 궤환 회로에 의해서 이득 및 잡음 특성은 저하되지만 전체 설계 대역에서 평탄한 이득 및 잡음지수 특성을 구현할 수 있다. 입출력 반사 손실 특성은 병렬 궤환 회로의 궤환 소자를 최적화하여 전체 대역 내에서 입력 반사손실 S₁₁은 -20 dB 이하, 출력 반사손실 S₂₂는 -10 dB 이하의 특성을 갖도록 하였고, 0 dBm 이상의 IIP3 특성을 갖도록 하였다.
설계된 가변이득 증폭기의 이득은 17 dB∼20 dB이고, 제어전압에 따라 최대 이득에서의 3차 상호 변조 왜곡 특성보다 -50 dB 이상의 개선효과를 갖도록 하였다.

후속연구

초단 증폭기 및 가변이득 증폭기는 설계 대역에서 14 dB∼21dB 이득 특성을 나타내었고 잡음지수는 1.5 dB 특성을 나타내고 있지만, 온도, 소자 및 기판 에칭과 같은 변수를 고려한다면 추가적인 회로 수정이 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	증폭단의 설계 대역에서 전체이득은 어떠한가?	입력신호의 크기를 감지하는 전력감지회로로 구성하였다. 제안한 증폭단은 설계 대역에서 전체이득 29 dB~37 dB, 잡음지수 1.5 dB을 나타내었고, 강전계 입력 조건에서 전력감지회로에서 발생되는 제어전압 2.
	증폭단의 구성은 어떠한가?	제안한 증폭단은 새로운 구조의 이득제어 방식을 적용하여 고이득, 저잡음지수 및 높은 선형성 특성을 구현하였다. 증폭단은 공통 에미터 구조의 초단 증폭기 및 캐스코드 구조의 가변이득 증폭기. 입력신호의 크기를 감지하는 전력감지회로로 구성하였다. 제안한 증폭단은 설계 대역에서 전체이득 29 dB~37 dB, 잡음지수 1.
	광대역 2단 증폭단은 어떤 특성을 구현하였는가?	본 논문에서는 광대역 (400 MHz~2000 MHz) 2단 증폭단을 설계, 제작 및 측정하였다. 제안한 증폭단은 새로운 구조의 이득제어 방식을 적용하여 고이득, 저잡음지수 및 높은 선형성 특성을 구현하였다. 증폭단은 공통 에미터 구조의 초단 증폭기 및 캐스코드 구조의 가변이득 증폭기.

참고문헌 (6)

김진영, 김은철, 이종명, " 군 통신에서의 재밍 (Jamming) 기술", 한국통신학회지, 26권, 3호, pp.32-40, 2009.
고민호, 표승철, 박효달, "광대역 RF 전단부 구조에 관한 연구", 한국전자통신학회논문지, 4권, 3호, pp.183-189, 2009.

원문보기 상세보기
Tr. T. HA, Solid-State Microwave Amplifier Design, John Wiley & Sons Inc., 1981.
고민호, 신현식, 박효달, "디지털지상파 및 다중 표준 수신을 위한 RF 모듈설계", 한국전자통신학회논문지, 1권, 1호, pp.8-19, 2006.

원문보기 상세보기
F. Iturbide-Sanchez et al.,"Comparison of different high-linear LNA structure for PCS applications using SiGe HBT and Low bias voltage," Electronics letters, Vol. 38, No. 12, June 2002.
고민호, 박효달, "이득제어회로 및 이를 이용한 증폭기," 출원번호 10-2007-0090329, 2007.

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].

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