Ⅰ. 서 론
이동통신의 발전은 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 동작하는 고주파 회로의 개발을 요구하게 되었고, 특히 통신 시스템에 있어서 필수적인 발진 기의 설계 및 제작이 필요하게 되었다. 마이크로웨 이브 통신 및 레이더 시스템의 핵심 부품중의 하나 인 발진기는 DC전력을 RF전력으로 변환시키는 회 로이다. 전체 시스템의 가장 기본적이고 필수적인 부품 중의 하나로써, 시스템의 IF 신호를 만들거나, RF 신호를 변‧복조할 때 효율과 안정성 확보에 가 장 크게 영향을 미치는 회로이다[1].
1980년대 유전체 공진기를 발진기에 사용하여 위 상잡음 (phase noise) 개선과 주파수 안정도 (stability) 를 향상시킨 유전체 공진기 발진기가 만들어졌다[2]. 마이크로파 대역에서 발진기는 저 전력 소비 및 우 수한 주파수 안정도가 요구되므로 도파관 (waveguide cavity)보다 소형이면서 저 가격, 저 손실, 높은 온도 안정성과 유전율, 높은 Q (quality factor) 값을 갖는 유전체 공진기의 사용이 일반화되어 왔다[3~4]. 하지 만, 유전체 공진기는 3차원 구조를 갖고 있어 MIC (Microwave Integrated Circuit)나, MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) 들과 집적화하기가 어 려우며, 회로를 소형화하는 방식에 많은 문제점을 갖고 있다.
본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 M. Sagawa에 의해 제안된 2차원 상에서 구현되는 평면 형 (planar) 형태의 공진기에 대한 연구를 진행하게 되었고, 참고 논문[6]의 인터디지털 헤어핀 공진기를 이용하게 되었다[5~6]. UTIS 시스템의 IF 주파수 생 성을 위한 발진기를 설계하기 위하여 인터디지털 헤 어핀 공진기를 기존 논문과 다른 공진 주파수로 재설 계하였고, 재설계된 공진기의 우수성을 더욱 부각시 키기는 방법으로 기존 논문에서 적용하지 않은 동일 한 평면형 헤어핀 공진기들과의 성능비교를 4장에 첨부하였다[6]. 본 논문에서 이용한 공진기는 Q값이 우수하고 평면 형태로 다른 회로들과 집적화가 편리 하다는 장점을 이용하여 UTIS 용 발진기를 설계하였 다. 본 논문에서 제안된 발진기는 발진기의 중요한 스펙중의 하나인 저 위상잡음 특성을 보이고 있으며 이를 일반적인 헤어핀 공진기로 만들어진 발진기와 비교할 뿐만 아니라 출간된 타 논문들과의 비교를 하 였다. 본 논문에서 제안된 저 위상잡음 발진기는 향 후 push-push 발진기로 설계될 수 있고[7], UTIS 시스 템에 응용되어질 것으로 사료된다[8].
Ⅱ. 인터디지털 헤어핀 공진기
1. 인터디지털 헤어핀 공진기 이론
공진기를 소형화하며 고조파 특성을 억압시키기 위한 구조들로 SIR (stepped-impedance resonators)과 헤어핀 공진기 등이 제안된다. <그림 1>(a)는 일반적 인 반 파장 헤어핀 공진기로서 SIR (stepped-impedance resonator) 구조를 갖고 두 개의 높고 낮은 임피던스 로 구성된다. 이때 두 임피던스 차이의 비율을 낮게 함으로써 사이즈의 축소와 향상된 고조파 특성을 얻을 수 있다[9]. <그림 1>(b)는 소형화된 헤어핀 공 진기로써 일반적인 반 파장 헤어핀 공진기의 양쪽 개방 선로의 끝을 구부려 병렬 결합 선로 형태와 유사하게 만들었고, 그에 따라 캐패시턴스 성분이 증가하고 파장은 작아지게 된다[10]. <그림 1>(c)는 소형화된 헤어핀 공진기에 인터디지털 형태를 삽입 하여 캐패시턴스 성분을 더욱 향상시켰다.
<그림 2>의 마이크로스트립 인터디지털 캐패시 터는 균등한 병렬 결합 선로의 배열로 구성되어지 고 구조의 길이는 중심주파수의 파장 길이보다 짧 다[11]. 이때의 인터디지털 헤어핀 공진기의 공진 특성은 SIR과 소형화된 헤어핀 공진기의 특성과 유 사하게 결정되어지며 식(1)과 같은 특성을 보인다. 또한 물리적인 길이는 식(2)~(4)와 같이 결정되고 식 (5)와 같이 범위가 한정되어진다[6]. 수식의 λio 와 λS는 도시된 라인에서의 등가 관내 파장을 나타 내고, K는 주어진 파장과 임피던스의 비율이며, L 은 주조의 물리적 길이이다.
2. 인터디지털 헤어핀 공진기 구현
소형화된 헤어핀 공진기와 인터디지털 헤어핀 공진기를 비교하기 위하여 ∈r =2.54, 손실 탄젠트 0.002, 높이 0.54mm 인 Teflon 기판으로 설계하였다. <그림 3>에서와 같이 소형화된 헤어핀 공진기와 인 터디지털 헤어핀 공진기의 크기는 각각 7.5 mm × 5.8 mm와 3.7 mm × 3.6 mm이다. 이는 약 70%의 크기가 축소된 결과를 보이고 <그림 4>는 두 개의 공진기를 비교하는 제작 실물도이다. <그림 5>는 소형화된 헤 어핀 공진기의 시뮬레이션과 제작 결과이다. <그림 6>은 인터디지털 헤어핀 공진기의 시뮬레이션과 제 작 결과이며, 제작상의 오차에 따른 결과를 보여준다.
<표 1>은 소형화된 헤어핀 공진기와 인터디지털 헤어핀 공진기의 제작 특성을 비교한다. loaded Q는 측정된 S-parameter의 결과값인 3 dB 대역폭을 이용 해 계산되어지며 식 (6)과 같다[12]. 인터디지털 구 조는 병렬 공진 구조이며, 커패시턴스가 커짐에 따 라 Q가 개선된다. 인터디지털 헤어핀 공진기는 일 반 헤어핀 공진기에 비해 전체 크기가 축소되고 loaded Q 값도 개선됨을 볼 수 있다.
Ⅲ. 인터디지털 헤어핀 공진기를 이용한 발진기 제작
본 논문에서는 능동소자로 저 잡음 지수를 갖고 위상잡음을 최소화할 수 있으며, 부성저항을 쉽게 얻을 수 있는 GaAs MESFET인 Agilent ATF13786 [13]을 이용하였고, 발진기의 형태는 회로구성이 간 단하고 부하 변동에 따른 주파수 변화와 출력 변화 가 적은 직렬 궤환형(series feedback topology)으로 <그림 7>과 같다.
본 논문에서 제작한 직렬 궤환형 발진기는 하나 의 DC 전원으로 자기 바이어스(self-bias)를 적용하 였고 l1, l2, l3를 조절하여 위상조건과 부성저항 발 생조건을 만족하였다[14].
<그림 8>은 teflon 기판을 이용하여 제작된 두 개 의 발진기 제작 사진이며 <그림 9>은 두 발진기의 위상잡음을 비교하기 위한 결과이다. 소형화된 헤 어핀 공진기를 이용한 발진기의 위상 잡음은 -88.11 dBc/Hz @ 100 kHz이고, 인터디지털 헤어핀 공진기 를 이용한 발진기의 위상잡음은 -100.8 dBc/Hz @ 100kHz 으로 약 12 dB의 개선을 보여준다. <그림 10>는 제안된 발진기의 출력 전력 12.1dBm @ 5.75 GHz을 보여준다.
Ⅳ. 실험 결과
<표 2>와 <표 3>은 본 논문에서의 실험 결과를 정리해 주며 출간된 논문들과의 특성을 비교하여 장점을 부각시키고자 한다. <표 3>의 Phase Noise는 각 논문의 결과를 도시하였고, 위상잡음 비교 (Figure of merit)는 식 (7)을 이용하여 주파수 체배 와 분주를 통해 기준 주파수 5.75 GHz에서 위상잡 음을 비교한 결과이다[20].
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 인터디지털 헤어핀 공진기를 이 용한 UTIS용 저 위상잡음 발진기를 설계 및 제작하 였다. 일반적인 소형화된 헤어핀 공진기에 비해 인 터디지털 헤어핀 공진기는 크기가 70% 축소된 것 을 보여주었고, loaded Q 값은 132로 월등히 높은 값을 보였다. 인터디지털 헤어핀 공진기를 이용한 발진기의 위상 잡음은 -100.8 dBc/Hz로 기존의 소형 화된 헤어핀 공진기를 이용한 발진기에 비해 위상 잡음이 12 dB의 개선을 보여주었다. 본 논문의 결 과를 바탕으로 UTIS 시스템의 IF 주파수 생성에 사 용 가능한 발진기를 설계하였고, 제안된 발진기는 push-push 발진기, PLL, 주파수 합성기 및 MMIC와 같은 형태의 애플리케이션으로 무선통신 분야에 많 은 응용이 기대되어 진다.
