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문제 정의
- 본 논문에서는 6～13 GHz의 광대역 고속 주파수 합성기를 설계 및 제작하였다. 제작된 주파수 합성기의 주파수 분해능은 30 kHz 이하, 위상잡음은 최고 주파수에서—106 dBc @ 10 kHz 이하, 주파수 정확도는 ±2 kHz 이하, 주파수 동조 속도는 500 ns 이하로 측정되었고, 요구 성능을 모두 만족하였다.
제안 방법
- 1 GHz의 600 MHz 대역을 넓히기 위해 2 체배기 및 3 체배기를 통과시킨 후, 필터 뱅크를 이용하여 불요신호를 제거하였다. 그 후 RF 스위치를 사용하여 경로를 나눈 뒤, 체배 및 필터 뱅크를 이용해 주파수 대역을 2～6.6 GHz로 확장하였다. 체배기 통과 후 RF 스위치로부터 나눠진 두 경로에 혼합기와 두 개의 국부 발진 신호를 이용하여 출력 주파수 대역을 6～13 GHz로 확장하였다.
- 1 GHz의 출력 주파수 범위를 가지며, 내부의 위상 누적기와 ROM을 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현하였다. 그리고 DDS에는 DDS의 이미지와 불요신호를 제거하기 위해 필터 뱅크를 반영하였다. 본 연구에 적용한 DDS의 성능을 표 2에 나타내었다.
- 다음으로 주파수 합성기의 주파수 해상도를 만족시키기 위해 DDS의 위상 누적기의 비트 수를 19 비트로 결정하였다. DDS의 해상도는 #의 관계에 따라 약 4.
- 그림 10에 주파수 합성기의 동조시간 측정 결과를 나타내었다. 동조 속도는 Agilent 사의 Infinium 오실로스코프를 사용하여 측정하였다.
- DDS의 자체 불요신호 특성 규격은 —68 dBc 이므로, 주파수 합성기의 목표 규격인 —50 dBc 이하의 불요신호 특성을 만족하기 위해서는 6 체배를 초과할 수 없다. 따라서 제안된 광대역 주파수 합성기는 4 또는 6 체배 후 혼합기를 사용하는 구조로 설계하였다.
- 먼저 DDS 출력 주파수 0.5～1.1 GHz의 600 MHz 대역을 넓히기 위해 2 체배기 및 3 체배기를 통과시킨 후, 필터 뱅크를 이용하여 불요신호를 제거하였다. 그 후 RF 스위치를 사용하여 경로를 나눈 뒤, 체배 및 필터 뱅크를 이용해 주파수 대역을 2～6.
- 그리고 주파수 합성기의 주파수 정확도는 주파수 합성기에 입력하는 기준 신호의 주파수 안정도(stability)와 체배 배율에 따라 좌우된다. 목표 성능인 10 kHz 이하의 주파수 정확도를 만족시키기 위해서는 주파수 안정도가 약 0.78 PPM 이하인 10 MHz 기준신호를 사용하여야 하며, 본 논문에서는 충분한 설계 마진(margin)을 확보를 위하여 0.1 PPM 수준의 주파수 안정도 특성을 갖는 기준 신호를 사용하였다.
- 본 논문에서는 DDS에 아날로그 주파수 합성방식을 적용하여 빠른 동조 시간, 높은 주파수 해상도 및 정확도, 우수한 위상잡음을 얻을 수 있는 6～13 GHz 광대역 주파수 합성기를 제안하였고, 본 논문에서 제안한 주파수 합성기의 위상잡음 분석 결과와 측정 결과를 서로 비교하였다.
- 본 논문에서 제안한 DDS를 이용한 직접 주파수 합성기 구성도를 그림 2에 나타내었다. 본 논문에서는 광대역 특성을 구현하기 위해 DDS의 출력 주파수를 수 체배한 후, 선택적으로 혼합하는 방식으로 구조를 설계하였다.
- 본 논문에서는 표 1에 제시된 성능을 만족시키기 위해 DDS에 아날로그 직접 주파수 합성 방식을 적용하였다. 특히 DDS는 우수한 분해능을 가지며, 고속으로 신호를 발생할 수 있기 때문에 주파수 합성기의 신호발생원으로 적합하다.
- 체배기 통과 후 RF 스위치로부터 나눠진 두 경로에 혼합기와 두 개의 국부 발진 신호를 이용하여 출력 주파수 대역을 6～13 GHz로 확장하였다. 이 때 DDS의 클럭 신호 및 LO1(Local Oscillator)/LO2는 하나의 10 MHz OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)를 기준신호로 사용하여 동기를 맞추어 사용하였다.
- 1 PPM인 10 MHz 기준 신호를 주파수 합성기에 입력한 상태에서 측정하였다. 이 때 주파수 오차는 제어 PC에서 설정한 출력 주파수 제어 값 대비 스펙트럼 분석기에서 실제 측정된 출력 주파수를 서로 비교하여 확인하였다.
- 특히 DDS의 출력 주파수 범위가 2 : 1 이상이면 주파수 채배 과정을 통해 주파수 합성기의 출력 주파수 범위를 쉽게 확장할 수 있다. 주파수 합성기에 적용한 DDS는 0.5～1.1 GHz의 출력 주파수 범위를 가지며, 내부의 위상 누적기와 ROM을 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현하였다. 그리고 DDS에는 DDS의 이미지와 불요신호를 제거하기 위해 필터 뱅크를 반영하였다.
- 그림 11에 주파수 정확도 측정 결과를 나타내었다. 주파수 합성기의 주파수 정확도는 주파수 안정도가 0.1 PPM인 10 MHz 기준 신호를 주파수 합성기에 입력한 상태에서 측정하였다. 이 때 주파수 오차는 제어 PC에서 설정한 출력 주파수 제어 값 대비 스펙트럼 분석기에서 실제 측정된 출력 주파수를 서로 비교하여 확인하였다.
- 주파수 합성기의 주파수 해상도는 주파수 합성기의 신호원인 DDS 주파수를 1 bit 증가시켰을 때 주파수 합성기의 출력 주파수의 변화량을 측정하였다. 주파수 합성기의 주파수 해상도는 4 체배 주파수인 6 GHz와 6 체배 주파수인 8 GHz에 대해 측정하였고, 측정 결과 약 18.
- 6 GHz로 확장하였다. 체배기 통과 후 RF 스위치로부터 나눠진 두 경로에 혼합기와 두 개의 국부 발진 신호를 이용하여 출력 주파수 대역을 6～13 GHz로 확장하였다. 이 때 DDS의 클럭 신호 및 LO1(Local Oscillator)/LO2는 하나의 10 MHz OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)를 기준신호로 사용하여 동기를 맞추어 사용하였다.
- 한편, 본 논문에서 제안한 주파수 합성기는 하드웨어를 간단하게 구성하기 위해 주파수 체배기를 이용하여 출력 주파수 대역을 확장한 후 뒷단에 혼합기를 이용하여 최종 출력 주파수 범위를 만족하도록 구성하였다. 만약 혼합기 만을 사용하여 대역을 넓힌다면 여러 개의 혼합기와 국부 발진 신호, 그리고 다수의 필터 뱅크가 필요하게 되어 하드웨어의 크기와 비용이 커지게 된다.
대상 데이터
- 제작된 주파수 합성기의 불요신호는 Agilent 사의 Signal Analyzer E4440A를 사용하여 측정하였고, 6 GHz, 13 GHz 주파수에서 측정한 불요신호를 그림 8과 그림 9에 각각 나타내었다.
데이터처리
- 최종 출력단에 위치한 혼합기를 사용할 경우에는 혼변조(intermodulation)에 따른 불요신호(spurious signal)가 대역 내에 존재하는지 확인하여 주파수 플랜을 선정하여야 한다. 주파수를 선정하기 위해 광대역 혼합기 HMC773의 불요신호 특성을 Agilent 사의 Genesys 소프트웨어에 입력하여 시뮬레이션한 후, 그 결과를 그림 3에 나타내었다. 그림 3의 가로축은 믹서의 출력 주파수이고, 세로축은 믹서의 IF 신호 대비 불요신호의 신호세기 차를 dBc 단위로 나타낸 것이다.
성능/효과
- 그림 6에 나타낸 위상잡음 분석 결과는 —105 dBc @ 1 kHz, —107 dBc @ 10 kHz, —112 dBc @ 100 kHz로서 위상 잡음 요구 성능을 만족하였다. 그리고 분석 결과로부터 주파수 합성기의 위상잡음은 전 주파수 대역에서 DDS의 위상잡음보다는 국부발진신호의 위상잡음에 큰 영향을 받음을 확인할 수 있다.
- 또한, 주파수 합성기의 불요신호는 6～13 GHz의 주파수 대역에 대해 1 GHz 주파수 간격으로 측정하였고 —50 dBc 이하의 불요신호 크기 특성을 갖는 것을 확인하였다.
- 시뮬레이션을 통해 설계된 주파수 플랜에서 불요신호 레벨을 —50 dBc 이하로 억제할 수 있음을 확인하였다.
- 제작된 주파수 합성기는 측정 결과, 6～13 GHz의 주파수 대역을 갖고, 0.5 μs 이하의 동조 속도를 갖는다.
- 제작된 주파수 합성기의 주파수 분해능은 30 kHz 이하, 위상잡음은 최고 주파수에서—106 dBc @ 10 kHz 이하, 주파수 정확도는 ±2 kHz 이하, 주파수 동조 속도는 500 ns 이하로 측정되었고, 요구 성능을 모두 만족하였다.
- 주파수 합성기의 이론적인 주파수 오차는 6 GHz에서 600 Hz이고, 최대 주파수인 13 GHz에서는 1.3 kHz이며, 측정 결과는 각각 675 Hz, 1.24 kHz로서 이론적인 값에 근사하게 측정되었다.
- 주파수 합성기의 주파수 해상도는 주파수 합성기의 신호원인 DDS 주파수를 1 bit 증가시켰을 때 주파수 합성기의 출력 주파수의 변화량을 측정하였다. 주파수 합성기의 주파수 해상도는 4 체배 주파수인 6 GHz와 6 체배 주파수인 8 GHz에 대해 측정하였고, 측정 결과 약 18.2 kHz, 27.5 kHz임을 확인하였다. 4 체배 주파수인 6 GHz에서 측정한 주파수 해상도 측정 결과를 그림 12에 보였다.
- 표 3에 나타낸 것과 같이 위상잡음 측정 결과와 계산결과가 최대 4 dB의 오차를 보이나, 유사하게 나오는 것을 확인하였고, 측정 결과는 목표 규격을 만족하였다.
후속연구
- 본 논문의 주파수 합성기는 전파 모니터링용 수신기의 국부 발진 신호를 발생하는 용도로 사용하기 위해 넓은 출력 주파수 범위와 빠른 동조 속도, 고해상도, 우수한 위상잡음 특성이 필요하다. 본 논문에서 목표로 하는 주파수 합성기의 설계 규격을 표 1에 나타내었다.
- 위상잡음 특성의 경우, 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 유사함을 확인하였다. 제작된 광대역 주파수 합성기의 출력 주파수 범위는 6 ～13 GHz이나, 부가적인 LO 신호와 믹서를 활용하여 18 GHz 범위까지 확장도 가능하며, 고속 동조 속도, 좁은 주파수 분해능, 정확도 특성을 동시에 보유하고 있어 향후 고속 전파 모니터링용 수신기에 적용 가능할 것으로 판단된다.
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