본 논문에서는 주파수 잠금회로(FLL: Frequency Locked Loop)를 이용하여 발진기의 위상잡음을 개선할 수 있음을 보였다. 1차적으로 헤어-핀 공진기를 이용하여 전압제어발진기(VCO)를 제작하였다. 제작된 VCO는 발진주파수 5 GHz에서 위상잡음을 측정한 결과, 1 kHz offset 주파수에서 -53.1 dBc/Hz를 보였다. 위상잡음을 개선하기 위하여, VCO에 5 GHz 공진기로 구성된 주파수 검출기(frequency detector), 루프 필터, 전위변환기(level shifter)를 이용 궤환회로를 구성, 주파수 잠금회로를 구성하였다. 제작된 주파수 잠금회로는 5 GHz의 주파수에서 발진하고, 1 kHz offset 주파수에서 -120.6 dBc/Hz의 위상잡음을 보였다. 따라서 주파수 잠금회로를 이용, VCO의 위상잡음을 획기적으로 약 67.5 dB 개선할 수 있음을 보였다. 또한, 얻어진 주파수 잠금회로를 이용한 발진기의 위상잡음 성능은 수정발진기의 위상잡음과 비견할만한 것이다.
본 논문에서는 주파수 잠금회로(FLL: Frequency Locked Loop)를 이용하여 발진기의 위상잡음을 개선할 수 있음을 보였다. 1차적으로 헤어-핀 공진기를 이용하여 전압제어발진기(VCO)를 제작하였다. 제작된 VCO는 발진주파수 5 GHz에서 위상잡음을 측정한 결과, 1 kHz offset 주파수에서 -53.1 dBc/Hz를 보였다. 위상잡음을 개선하기 위하여, VCO에 5 GHz 공진기로 구성된 주파수 검출기(frequency detector), 루프 필터, 전위변환기(level shifter)를 이용 궤환회로를 구성, 주파수 잠금회로를 구성하였다. 제작된 주파수 잠금회로는 5 GHz의 주파수에서 발진하고, 1 kHz offset 주파수에서 -120.6 dBc/Hz의 위상잡음을 보였다. 따라서 주파수 잠금회로를 이용, VCO의 위상잡음을 획기적으로 약 67.5 dB 개선할 수 있음을 보였다. 또한, 얻어진 주파수 잠금회로를 이용한 발진기의 위상잡음 성능은 수정발진기의 위상잡음과 비견할만한 것이다.
In this paper, we showed the phase noise of voltage controlled oscillator(VCO) can be radically improved using FLL(Frequency Locked Loop). At first, a 5 GHz VCO is fabricated using a hair-pin resonator. The fabricated VCO shows a phase noise of -53.1 dBc/Hz at 1 kHz frequency offset. In order to imp...
In this paper, we showed the phase noise of voltage controlled oscillator(VCO) can be radically improved using FLL(Frequency Locked Loop). At first, a 5 GHz VCO is fabricated using a hair-pin resonator. The fabricated VCO shows a phase noise of -53.1 dBc/Hz at 1 kHz frequency offset. In order to improve the phase noise of the fabricated VCO, a FLL is constructed using the feedback loop that consists of the VCO, a frequency detector composed of 5 GHz resonator, loop-filter, and level shifter. The fabricated FLL is designed to oscillate at a frequency of 5 GHz, and its measured phase noise is about -120.6 dBc/Hz at 1 kHz offset frequency. As a result, the phase noise of VCO can be radically improved by about 67.5 dB applying FLL. In addition, the measured phase noise performance is close to that of crystal oscillator.
In this paper, we showed the phase noise of voltage controlled oscillator(VCO) can be radically improved using FLL(Frequency Locked Loop). At first, a 5 GHz VCO is fabricated using a hair-pin resonator. The fabricated VCO shows a phase noise of -53.1 dBc/Hz at 1 kHz frequency offset. In order to improve the phase noise of the fabricated VCO, a FLL is constructed using the feedback loop that consists of the VCO, a frequency detector composed of 5 GHz resonator, loop-filter, and level shifter. The fabricated FLL is designed to oscillate at a frequency of 5 GHz, and its measured phase noise is about -120.6 dBc/Hz at 1 kHz offset frequency. As a result, the phase noise of VCO can be radically improved by about 67.5 dB applying FLL. In addition, the measured phase noise performance is close to that of crystal oscillator.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 기존에 수행된 FLL 연구[9]～[11]를 바탕으로, 수동소자인 공진기의 공진주파수를 이용한 주파수 잠금회로(FLL: Frequency Locked Loop)의 설계방법을 제시하고자 한다.
본 논문에서 제안된 FLL은 초기 연구여서, 이후 FLL의 위상잡음 특성에 대한 추가적 연구를 통해 공진기의 Q 값과 다른 파라미터가 미치는 FLL 위상잡음의 영향을 고려 최적화된 FLL 설계를 제시하려고 한다. 전기적 조정이 가능한 VCO는 그림 6의 주파수 검출기 구성에서 RF 단과 LO단에 위상천이기를 각각 추가하고, 한쪽 위상천이기만 조정할 경우, 전기적으로 조정 가능한 VCO를 구성할 수 있을 것으로 예상한다.
주파수 검출기 구현은 다양한 방법이 있을 수 있다. 본 논문에서는 그림 6과 같이 별도의 기계적으로 공진주파수 변경이 가능한 가변주파수 공진기를 이용한 주파수 검출기를 보였다.
제안 방법
본 논문에서는 주파수 잠금회로(FLL)의 새로운 구성 방법을 제시할 뿐만 아니라, 5 GHz 헤어핀 공진기를 이용한 VCO에 FLL을 적용하였고, 그 결과 VCO의 위상잡음을 개선할 수 있었다. FLL은 저위상잡음을 얻기 위해 PLL의 기준발진기를 유전체 공진기로 대체함으로써, VCO 의 위상잡음을 개선하였다. 5 GHz 헤어핀 공진기 VCO를 이용하여 제작된 FLL의 위상잡음을 측정한 결과, 1 kHz offset 주파수에서 —120.
본 논문에서 제안하는 FLL의 구조는 그림 2와 같다. PLL과 유사한 구조이지만, PLL과 달리 발진기의 발진주파수와 공진기의 공진주파수를 비교하고, 이를 이용하여 발진기의 주파수를 조정하게 된다. 즉, 발진주파수 ω와 공진주파수 ωr차이에 따라 발생된 전압 Vd는 루프 필터에 인가되며, 루프 필터 출력전압은 VCO를 구동하여, VCO의 발진주파수 ω와 공진주파수 ωr의 차이가 0이 되도록 한다.
VCO의 주파수 조정감도 Kv를 얻기 위해, VCO의 전기적 주파수 조정범위를 측정하였다. 측정을 위해 Agilent 사의 Signal Source Analyzer E5052B[13]를 이용하였으며, 측정 결과는 그림 5에 나타내었다.
그리고 RF단과 LO단의 위상 차이가 90°가 되도록 RF단과 LO단에 위치한 마이크로스트립 선로(microstrip line)의 길이를 조절하였다.
우선 FLL을 적용할 VCO를 제작한 후, 이에 대한 성능을 확인한다. 그리고 주파수 잠금회로에 필요한 주파수 검출기를 설계한다. 주목할 것은 주파수 검출기에 사용되는 공진기의 공진주파수가 반드시 VCO의 발진주파수 조정범위 내에 있도록 설계되어야 한다는 점이다.
주목할 것은 주파수 검출기에 사용되는 공진기의 공진주파수가 반드시 VCO의 발진주파수 조정범위 내에 있도록 설계되어야 한다는 점이다. 다음 VCO의 위상잡음 특성을 통해 루프 필터의 루프대역폭을 결정한 후, VCO의 주파수 조정감도 Kv와 주파수 검출기의 비례상수 Kw를 이용하여 루프 필터를 설계 및 제작한다. 제작된 루프 필터의 출력을 VCO의 제어전압으로 피드백 시킴으로써, FLL이 완성된다.
그러나 주파수 검출기는 VCO에 사용된 공진기보다 직관적으로 Q가 높아야할 것으로 예상된다. 따라서 기계적으로 공진주파수 가변이 가능하고, Q가 VCO에 사용된 헤어핀 공진기보다 높은 참고문헌[12]의 유전체 공진기를 참조하여 그림 8과 같이 5 GHz 유전체 공진기가 설계되었다. 그림 8의 왼쪽부분은 공진기의 공진주파수를 결정하고, 공진주파수를 조정하는 역할을 하는 금속 캐비티, 오른쪽부분은 금속 캐비티가 제거된 상태의 유전체 공진기이다.
헤어핀공진기를 이용한 VCO는 일반적인 위상잡음 성능을 가지고 있기 때문에, 이 VCO에 FLL을 적용할 경우, 위상잡음 성능의 개선정도를 명확히 확인할 수 있을 것이다. 따라서 참고문헌[12]의 VCO 구조에서 유전체 공진기를 헤어핀 공진기로 대체하여 FLL용 VCO로 사용하였다. 헤어핀 공진기는 그림 3에서 간격 d로 선로간의 커플링을 조절하여, 손실이 최소가 되도록 하고, 길이 l을 조절하여 공진주파수가 5 GHz가 되도록 설계하였으며, 여기서 d는 0.
본 논문에서는 참고논문[12]의 발진기 구조에서 공진기를 헤어핀 공진기(hair-pin resonator)로 대체한 VCO에 FLL를 적용하였다. 이에 대한 FLL의 위상잡음은 측정 결과, 1 kHz offset 주파수에서 —120.
그림 2에 보인 FLL의 설계과정은 다음과 같다. 우선 FLL을 적용할 VCO를 제작한 후, 이에 대한 성능을 확인한다. 그리고 주파수 잠금회로에 필요한 주파수 검출기를 설계한다.
이상의 부품을 이용 동축선로(coaxial line)로 연결하여 주파수 검출기를 구성하였다. 이렇게 제작된 주파수 검출기의 출력검출전압을 확인하기 위해, Agilent사의 83640B 신호발생기[18]을 이용하여 주파수를 4,980～5,020 MHz로 변화시켰다. 입력전력과 입력주파수의 변화에 따라 혼합기의 IF단에서 출력되는 전압을 측정한 결과, 그림 10과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
그리고 주파수 검출기에 사용된 Minicircuit사의 혼합기 M1-0420[17]은 변환손실 6 dB를 가지고 있다. 이상의 부품을 이용 동축선로(coaxial line)로 연결하여 주파수 검출기를 구성하였다. 이렇게 제작된 주파수 검출기의 출력검출전압을 확인하기 위해, Agilent사의 83640B 신호발생기[18]을 이용하여 주파수를 4,980～5,020 MHz로 변화시켰다.
이 발진기의 위상잡음 성능을 개선하는 방법은 크게 두 가지로 볼 수 있다. 첫 번째 방법은 발진기에 사용되는 증폭기의 1/f 잡음의 corner frequency fc 와 잡음지수 F가 낮은 능동소자를 이용하여 구성하는 것이다. 하지만 이 방법을 이용한 위상잡음의 개선은 10 dB 정도로 혁신적인 위상잡음의 개선을 얻는 데에는 부족한 면이 있다[1]～[3].
표 1에는 본 논문에서 제작된 FLL 발진기와 국외에서 판매되고 있는 Accusilicon사 수정발진기 AS318-B-100[24]의 위상잡음 성능을 비교해 보였다. 여기서 수정발진기의 위상잡음은 5 GHz로 체배된 AS318-B100 수정발진기의 위상잡음이다.
대상 데이터
FLL의 위상잡음은 Agilent사의 E5052B Signal Source Analyzer[13]를 이용하여 측정하였다. 측정 결과, 1 kHz off- set 주파수에서 —120.
루프 필터에 사용된 OP amp는 National Semiconductor 사의 LM6152[20]이며, 그림 14의 저항 및 커패시터 값은 각각 R1=1 kΩ, R2=9.1 kΩ, R3=10 kΩ, R4=100 kΩ, C1=1 uF, C2=10 nF이다.
제작된 FLL 기판은 그림 18의 구성을 바탕으로 제작되었으며, 제작된 FLL은 그림 19와 그림 20에 나타내었다. 그림 19와 20에서 사용된 기판은 Rogers사의 RO4350B[23]이다.
이론/모형
제작된 유전체 공진기의 주파수응답 특성을 확인하기 위해 Agilent사의 Network Analyzer N5230A[15]를 이용하여 S 파라미터를 측정하였다. 측정 결과, 그림 9와 같이 4.
5 GHz의 발진주파수에서 헤어핀 공진기 VCO의 위상잡음 측정 결과는 그림 4와 같다. 측정은 Agilent 사의 Signal Source Analyzer E5052B[13]로 이루어졌다. 그림 4의 측정 결과, 헤어핀 공진기 VCO는 1 kHz offset 주파수에서 —53.
VCO의 주파수 조정감도 Kv를 얻기 위해, VCO의 전기적 주파수 조정범위를 측정하였다. 측정을 위해 Agilent 사의 Signal Source Analyzer E5052B[13]를 이용하였으며, 측정 결과는 그림 5에 나타내었다. VCO의 제어전압이 0～10 V로 인가되었을 때, 주파수 조정범위는 4.
성능/효과
5 GHz 헤어핀 공진기 VCO를 이용하여 제작된 FLL의 위상잡음을 측정한 결과, 1 kHz offset 주파수에서 —120.6 dBc/Hz, 10 kHz offset 주파수에서 —131.3 dBc/Hz, 100 kHz offset 주파수에서 —140.3 dBc /Hz의 위상잡음을 보였다.
FLL의 스펙트럼을 측정한 결과, 그림 21과 같이 5 GHz 의 중심주파수를 가지고 발진하고 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 FLL이 lock된 상태에서는 FD의 튜너를 조절하여 FD 내부 공진기의 공진주파수를 변화시킴으로써 기준이 되는 주파수를 바뀌고, 이에 따라 FLL의 중심주파수가 이동하는 것을 확인할 수 있었다.
FLL의 스펙트럼을 측정한 결과, 그림 21과 같이 5 GHz 의 중심주파수를 가지고 발진하고 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 FLL이 lock된 상태에서는 FD의 튜너를 조절하여 FD 내부 공진기의 공진주파수를 변화시킴으로써 기준이 되는 주파수를 바뀌고, 이에 따라 FLL의 중심주파수가 이동하는 것을 확인할 수 있었다.
두 위상잡음을 비교하였을 때, FLL은 1 kHz offset 주파수에서 —67.5 dBc, 10 kHz offset 주파수에서 —51.4 dBc, 100 kHz offset 주파수에서 —34 dBc의 위상잡음이 개선된 것을 확인할 수 있었다.
그림 12의 DC offset 전압이 존재하였지만, 10 MHz 대역폭의 발진주파수에 대해 약 60 mV의 출력전압 범위를 가지고 있다. 따라서 주파수 검출기의 비례상수 Kw는 0.006 V/MHz임을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 주파수 잠금회로(FLL)의 새로운 구성 방법을 제시할 뿐만 아니라, 5 GHz 헤어핀 공진기를 이용한 VCO에 FLL을 적용하였고, 그 결과 VCO의 위상잡음을 개선할 수 있었다. FLL은 저위상잡음을 얻기 위해 PLL의 기준발진기를 유전체 공진기로 대체함으로써, VCO 의 위상잡음을 개선하였다.
유전체 공진기의 위상은 공진주파수에서 선형적인 구간을 보이고 있으며, 중심주파수에서 —48.3°인 것을 확인할 수 있었다.
이는 헤어핀 공진기 VCO의 위상잡음에 비해 최소 —30 dBc/Hz, 최대 —60 dBc/Hz 이상 개선되었으며, 5 GHz로 주파수 체배(frequency multiplier)된 수정발진기(crystal oscillator)의 위상잡음과 비견할만한 성능임을 확인할 수 있었다.
이에 대한 FLL의 위상잡음은 측정 결과, 1 kHz offset 주파수에서 —120.6 dBc/Hz, 10 kHz offset 주파수에서 —131.3 dBc/Hz, 100 kHz offset 주파수에서—140.3 dBc/Hz의 결과를 보였다.
제작된 헤어핀 공진기는 웨이퍼프로브를 이용하여 개별로 측정할 수 있었으며, 측정 결과 헤어핀 공진기는 5 GHz의 중심주파수에서 약 2.9 dB의 삽입손실, QL =20.3을 가지고 있었다.
를 이용하여 S 파라미터를 측정하였다. 측정 결과, 그림 9와 같이 4.99 GHz에서 공진이 발생하며, 중심주파수에서 3 dB 대역폭은 26 MHz이었다. 삽입손실은 0.
여기서 수정발진기의 위상잡음은 5 GHz로 체배된 AS318-B100 수정발진기의 위상잡음이다. 표 1의 성능비교를 통해 본 연구에서 제작된 FLL 발진기의 위상잡음은 수정발진기보다 우수함을 알 수 있다. 표 1의 E5052B PN Limit은 계측장비가 측정할 수 있는 위상잡음측정 한계를 나타낸 것이다.
후속연구
전기적 조정이 가능한 VCO는 그림 6의 주파수 검출기 구성에서 RF 단과 LO단에 위상천이기를 각각 추가하고, 한쪽 위상천이기만 조정할 경우, 전기적으로 조정 가능한 VCO를 구성할 수 있을 것으로 예상한다. 그러나 삽입된 위상천이 기의 위상잡음 영향 또한, 연구를 필요로 한다.
그림 3에는 본 논문의 FLL에서 사용된 5 GHz 헤어핀 공진기 VCO를 나타내었다. 헤어핀공진기를 이용한 VCO는 일반적인 위상잡음 성능을 가지고 있기 때문에, 이 VCO에 FLL을 적용할 경우, 위상잡음 성능의 개선정도를 명확히 확인할 수 있을 것이다. 따라서 참고문헌[12]의 VCO 구조에서 유전체 공진기를 헤어핀 공진기로 대체하여 FLL용 VCO로 사용하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마이크로파 발진기의 위상잡음 성능을 개선하는 방법은 무엇이 있으며 각각 어떤 문제점이 있는가?
이 발진기의 위상잡음 성능을 개선하는 방법은 크게 두 가지로 볼 수 있다. 첫 번째 방법은 발진기에 사용되는 증폭기의 1/f 잡음의 corner frequency fc 와 잡음지수 F가 낮은 능동소자를 이용하여 구성하는 것이다. 하지만 이 방법을 이용한 위상잡음의 개선은 10 dB 정도로 혁신적인 위상잡음의 개선을 얻는 데에는 부족한 면이 있다[1]～[3]. 두 번째 방법은 Q(quality factor)가 큰 공진기를 이용하여 선택도를 높여 위상잡음을 개선하는 방법이다. 이 방법을 이용하면 분명히 효과적인 위상잡음의 개선을 가져오게 된다[4]～[7]. 하지만 현실적으로 높은 주파수에서는 높은 Q 를 갖는 공진기를 얻는 것은 어렵다. 따라서 이 방법도 위상잡음 개선에는 제한을 주게 된다.
FLL에는 PLL과 달리 무엇이 필요한가?
여기서 주목할 점은 FLL의 기준발진기로는 공진주파수가 사용되며, 이 공진주파수는 이론적으로 위상잡음 없기 때문에 혁신적으로 낮은 위상잡음 성능을 기대할 수 있게 된다. 또한, FLL은 PLL과 달리 주파수의 차를 이용하기 때문에 주파수 차를 검출할 수 있는 별도의 주파수 검출기에 대한 설계가 필요하다.
PLL은 무엇인가?
위상잠금회로의 등가 블록도는 그림 1과 같다[8]. 그림 1의 PLL은 두 개의 발진기, 즉 기준발진기(reference oscillator)와 전압제어발진기(VCO: Voltage Controlled Oscillator)의 위상을 위상검출기(phase detector)로 비교하고, 이 차이에 비례하여 VCO의 주파수를 조정하는 것이다. 그림 1에서 F(s )는 루프 필터(loop filter)이며, 보통 LPF (Low Pass Filter)로 동작한다.
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