[논문]W-대역 송수신기를 위한 주파수 8체배기

이일진; 김완식; 김종필; 전상근

doi:10.7236/jiibc.2018.18.6.195

[국내논문] W-대역 송수신기를 위한 주파수 8체배기
Frequency Octupler for W-band Transceiver 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.18 no.6, 2018년, pp.195 - 200

이일진 (고려대학교 전기전자공학부) , 김완식 ((주)LIG넥스원) , 김종필 ((주)LIG넥스원) , 전상근 (고려대학교 전기전자공학부)

초록
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W-대역 송수신기를 위한 주파수 8체배기가 100-nm GaAs pHEMT 공정으로 설계 및 제작되었다. 제작된 체배기는 송수신기의 국부발진기 및 신호원으로 활용 가능하다. 공통-소스 2체배기를 3단 연결하여 10.75 GHz의 입력 신호를 83 GHz로 체배할 수 있다. 변환 이득 향상과 불요파 억제를 위하여 공통-소스 증폭기가 각 체배단 마다 포함되었다. 증폭기를 대역 필터로 활용하여 크고 복잡한 수동 필터 없이 충분한 불요파 억제도를 확보할 수 있다. 또한 각 증폭기 이득을 조정하여 변환 효율을 극대화하였다. 제작된 체배기는 80 - 84 GHz 대역에서 6 dBm 이상의 높은 출력을 보이며 20 dBc 이상의 우수한 불요파 억제 성능을 확보하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A W-band frequency octupler is implemented on 100-nm GaAs pHEMT process. The fabricated octupler can be used as a local oscillator or a signal source of W-band transceivers. Three common-source doublers are connected in cascade to multiply an input signal of 10.75 GHz to 83 GHz. A common-source amplifier is followed for each doubler to improve the conversion gain and suppress the unwanted harmonics. The fabricated octupler showes high output of more than 6 dBm in the 80 - 84 GHz band and achieved excellent spurious suppression performance over 20 dBc.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 트랜지스터 게이트 전압에 따른 기본 주파수와 2차 고조파 전류의 변화 Fig. 1. Change of fundamental frequency and second harmonic current according to transistor gate voltage
그림 그림 2. W-대역 공통-소스 3단 주파수 8체배기 회로도 Fig. 2. Schematic of W-band common-source 3-stage frequency octupler
그림 그림 4. 중간 증폭기를 이용한 불요파 억제 Fig. 4. Suppression of unwanted harmonics by using the buffer amplifiers
그림 그림 3. 체배기 각 단의 출력 파워 최적화 Fig. 3. Output power optimization for each multiplying stage
그림 그림 6. 입력(상)과 출력(하) 정합 특성 그래프 Fig. 6. Input and output matching of designed multiplier
그림 그림 5. 제작된 주파수 8체배기 칩 사진 ( 3.2 × 1.2 mm²) Fig. 5. Microphotograph of designed frequency multiplier
그림 그림 7. 주파수 대비 출력 전력(상)과 입력 대비 83 GHz 출력 전력(하) Fig. 7. Measured output power relative to frequency and 10.375 GHz input power
그림 그림 8. 전 주파수 대역에의 출력 전력 스펙트럼 Fig. 8. Measured output power spectrum
표 표 1. 기존 주파수 체배기와의 비교표 Table 1. Comparison with the other frequency multipliers

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 W-대역 송수신기를 위한 주파수 8체 배기를 설계하고 제작하여 측정하였다. W-대역 80 – 84 GHz 대역에서 최대 7 dBm의 우수한 츨력을 확보하였으며 W-대역 신호원으로서 충분한 성능을 확보하였다.

제안 방법

마지막 단 체배기를 거치며 체배된 83 GHz 신호의 크기는 0 dBm 이며 이를 다시 최종 증폭기에서 증폭시켜 결과적으로 83 GHz에서 7 dBm의 신호를 얻을 수 있도록 설계하였다.
목표 주파수에서 공액 정합하는 대신에, load-pull 시뮬레이션을 수행하여 최대 출력을 확보할 수 있도록 하였다.
최종 출력단의 신호 스펙트럼을 분석하여 주로 발생하는 고조파 성분을 찾은 후, 이를 억제하기 위한 대역 통과 필터를 적용하여 해당 고조파 신호를 제거하는 방식을 적용하였다.
각각의 주파수 체배기는 공통-소스 토폴로지로 설계되었다. 20.75, 41.5, 83 GHz의 주파수 대역별로 트랜지스터 소자의 비선형 특성 및 최대 출력을 얻을 수 있는 소자의 크기를 분석하여 각각 다른 크기의 소자를 사용하였다. 가장 높은 주파수인 83 GHz 주파수 2배 체배기의 경우 2x25 um 크기의 소자를 사용하였다.
각각의 주파수 체배기는 공통-소스 토폴로지로 설계되었다. 20.
각각의 주파수 체배기의 출력 신호를 충분한 크기로 증폭시키기 위하여 각 체배기의 출력단에 공통-소스 증폭기를 추가 설계하였다 (그림2). 증폭기의 입출력 정합 역시 체배기의 출력 전력을 극대화 할 수 있도록 설계하였고 증폭기 출력 정합은 뒷단에 이어지는 체배기 입력과 공액 정합이 이루어지도록 설계하였다.
본 연구에서는 100-nm GaAs mHEMT 공정을 이용 하여 10 GHz 대역 입력 신호를 80 – 84 GHz 대역으로 체배하는 주파수 8배 체배기를 개발하였다.
비선형성 극대화하기 위해 트랜지스터의 게이트 전압을 조정하며 2차 고조파가 최대가 되는 지점을 그림1과 같이 파악하였다.
입출력 정합은 기본적인 L-section 구조로 설계하였으며, 낮은 주파수에서는 인덕터와 커패시터를 이용하여 구현하였고, 40 GHz 이상의 높은 주파수에서는 인덕터 대신 전송선로를 사용하여 구현하였다.
본 연구에서는 100-nm GaAs mHEMT 공정을 이용 하여 10 GHz 대역 입력 신호를 80 – 84 GHz 대역으로 체배하는 주파수 8배 체배기를 개발하였다. 주파수 2배 체배기를 3단으로 연결하는 8체배 구조를 바탕으로 높은 고조파 억제도와 고출력을 목표로 하는 주파수 체배기를 설계 및 측정하였다.
증폭기의 입출력 정합 역시 체배기의 출력 전력을 극대화 할 수 있도록 설계하였고 증폭기 출력 정합은 뒷단에 이어지는 체배기 입력과 공액 정합이 이루어지도록 설계하였다.

대상 데이터

5, 83 GHz의 주파수 대역별로 트랜지스터 소자의 비선형 특성 및 최대 출력을 얻을 수 있는 소자의 크기를 분석하여 각각 다른 크기의 소자를 사용하였다. 가장 높은 주파수인 83 GHz 주파수 2배 체배기의 경우 2x25 um 크기의 소자를 사용하였다. 비선형성 극대화하기 위해 트랜지스터의 게이트 전압을 조정하며 2차 고조파가 최대가 되는 지점을 그림1과 같이 파악하였다.

성능/효과

각체배기-증폭기 블록 단 마다의 출력 전력을 확인하고 트랜지스터 소자 크기와 바이어스 전압 등을 조정하여 체배 과정에서 불필요하게 소모되는 전력을 최소화하였다.
또한 입력 신호의 주파수를 10.375 GHz로 고정하고 입력 신호의 크기를 증가시키며 83 GHz에서의 출력 전력을 확인한 결과, -5 dBm 이상의 신호를 인가할 경우 체배기의 출력이 포화되어 최대 7 dBm이 출력됨을 확인하였다.
10 – 50 GHz 대역에서의 측정결과는 그래프에는 포함되지 않았으나 측정을 완료했으며, 측정한 전 대역에 대해서 잡음 레벨 이상의 고조파 신호는 검출되지 않음을 확인하였다.
본 논문에서는 W-대역 송수신기를 위한 주파수 8체 배기를 설계하고 제작하여 측정하였다. W-대역 80 – 84 GHz 대역에서 최대 7 dBm의 우수한 츨력을 확보하였으며 W-대역 신호원으로서 충분한 성능을 확보하였다. 표 1에서 보이는 바와 같이 유사한 공정으로 설계된 체배기와 비교하여 높은 출력 전력을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
그림 6은 제작된 회로의 입출력 정합 성능을 시뮬레이션과 비교한 그래프이다. 출력 정합은 83 GHz 대역에서 10 dB 이상으로 충분한 정합 성능을 확보하였으나, 입력 정합은 설계목표 인 10.375 GHz에서 11 GHz로 소폭 천이되었으며 정합 성능이 5 dB로 저하되었다. 또한 1.
트랜지스터 크기에 따라 최적점이 존재하나 Vgs = -1.0 V 정도의 게이트 전압 인가 시 2차 고조 파가 극대화됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공통-소스 증폭기를 추가 설계한 이유는 무엇인가?	각각의 주파수 체배기의 출력 신호를 충분한 크기로 증폭시키기 위하여 각 체배기의 출력단에 공통-소스 증폭기를 추가 설계하였다 (그림2). 증폭기의 입출력 정합 역시 체배기의 출력 전력을 극대화 할 수 있도록 설계하였고 증폭기 출력 정합은 뒷단에 이어지는 체배기 입력과 공액 정합이 이루어지도록 설계하였다.
	주파수 체배 기의 장점은 무엇인가?	특히 가변주파수 발진기의 경우, 대역폭 확보 및 정밀한 주파수 조정 성능을 보장하기 어려워진다. 반면 주파수 체배 기는 낮은 주파수 신호원을 추가로 사용해야한다는 조건이 있지만 저주파수에서 정밀히 설계된 신호원 특성을 고주파에서 그대로 활용할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 고주파수 대역에서 정밀한 신호원 주파수 설정이 필요한 경우에는 발진기 대신 주파수 체배기를 활용하여 시스템을 구성하는 것이 유리하다.
	불필요한 고조파 성분을 제거하기 위해 어떤 방법을 이용했는가?	주파수 체배기를 다중으로 설계하였으므로, 중간 단에서도 불필요한 고조파 성분이 다수 발생할 여지가 있다. 이를 제거하기 위해서는 증폭기의 정합 구조와 증폭기 자체의 협대역 통과 필터로 서의 효과를 활용하였다. 그림4과 같이 각 체배기의 출력에서 나타나는 고조파 성분이 증폭기를 통과한 후 현저히 감소되는 것을 확인하였다.

참고문헌 (5)

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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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상세보기
U. J. Lewark, A. Tessmann, H. Massler, A. Leuther, and I. Kallfass, "Active single ended frequency multiplier-by-nine MMIC for millimeter wave imaging applications," in Proc. Wkshp. Integr. Nonlinear Microw. Millimetre-Wave Circuits, 2011, pp. 1-4. DOI: https://doi.org/10.1109/INMMIC.2011.5773324
N. Mazor and E. Socher, "Analysis and design of an X-band-toW-band CMOS active multiplier with improved harmonic rejection," IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 61, no. 5, pp. 1924-1933, May 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/TMTT.2013.2252914

저자의 다른 논문 :

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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