The Design of a X-Band Frequency Synthesizer using the Subharmonic Injection Locking Method

A low phase noise frequency synthesizer at X-Band which employs the subharmonic injection locking was designed and tested. The designed frequency synthesizer consists of a 1.75 GHz master oscillator - which also operates as a harmonic generator - and a 10.5 GHz slave oscillator. A 1.75 GHz master oscillator based on PLL technique used two transistors - one constitutes the active part of VCO and the other operates as a buffer amplifier as well as harmonic generator. The first stage operates a fixed locked oscillator and using the BJT transistor whose cutoff frequency is 45 GHz, the second stage is designed, operating as a harmonic generator. The 6th harmonic which is produced from the harmonic generator is injected into the following slave oscillator which also behaves as an amplifier having about 45 dB gain. The realized frequency synthesizer has a 7.4 V/49 mA, -0.5 V/4 mA of the low DC power consumption, 4.53 dBm of output power, and a phase noise of -95.09 dBc/Hz and -108.90 dBc/Hz at the 10 kHz and 100 kHz offset frequency, respectively.

Subharmonic Injection Locking 방법을 이용한 X-Band 주파수 합성기 설계

Subharmonic injection locking 방식을 이용하여 디지털 위성방송 시스템의 신호원으로 사용될 수 있는 낮은 위상 잡음과 우수한 전력 효율을 갖는 X-band 주파수 합성기를 설계, 제작하였다. 주파수 합성기는 위상 고정 발진기의 역할과 동시에 고조파 발생기로 동작하는 1.75 GHz의 주 발진기(master발진기)와 10.5 GHz 부 발진기(slave 발진기)로 구성되어 있다. PLL 방법을 적용하여 구성된 1.75 GHz 주 발진기는 능동부를 형성하는 트랜지스터와 버퍼 증폭기의 역할을 하는 BJT 트랜지스터를 직렬 연결하여 사용하였는데 첫 단은 위상고정 발진기의 역할을 하고 둘째 단은 45 GHz의 차단 주파수(cutoff frequency)를 갖는BJT를 사용함으로써 고조파 발생기로 동작하게 하여 안정적으로 Injection Locking 될 수 있도록 인가될 신호인 6차 고조파의 크기를 충분히 크게 발생시키도록 하였다. 고조파 발생기로부터 발생한 6차 고조파는 뒤에 위치한 약 45 dB 이득을 갖는 증폭기로 동작하는 부 발진기에 인가되어 Injection Locking 된다. 이러한 특성을 갖는 회로 구조를 이용하여, ILO 방식을 이용함으로 얻는 간단한 회로 구조와 낮은 위상 잡음 특성은 물론 보다 우수한 전력 효율을 갖는 10.5 GHz 주파수 합성기를 설계 제작하였다. 제작된 10.5 GHz 주파수 합성기는 7.4 V/49 mA,-0.5 V/4 mA의 전력 소모와 4.53 dBm의 출력 전력, 그리고 10 kHz와 100 kHz 이격 주파수에서 각각 -95.09 dBc/Hz와-108.90 dBc/Hz의 위상 잡음 특성을 얻었다.