CMOS 기반의 고주파 집적회로에서는 높은 이득과 출력을 얻기 위하여 인덕터와 같은 수동소자를 사용한다. 그러나 수동소자를 사용하게 되면 넓은 면적을 차지하기 때문에 회로의 크기를 증가시키는 단점을 갖는다. 본 논문에서는 PMOS 를 기반으로 구현한 active inductor 를 적용하여 회로의 면적을 줄일 수 있으며, 기존의 주파수 변환기와 동등한 선형 특성을 갖는 상향 주파수 변환기를 설계하였다. 인덕터를 적용한 상향 주파수 변환기의 OIP3 ($3^{rd}$ Output Intercept Point)는 1.3 dBm 을 가지며, 제안한 상향 주파수 변환기의 OIP3 는 0.8 dBm 으로 동등한 선형 특성을 보이며, layout 상에서 회로의 면적을 40 % 이상 감소하는 특성의 선형 송신기용 주파수 변환기를 설계 분석하였다.
본 논문에서는 2.4GHz 대역에서의 응용을 위한 광대역 RF 모들을 설계하고 제작하였다. 무선 주파 신호를 중간 주파수로 변환하기 위한 RF 모듈은 3단 증폭기로 이루어진 저잡음 증폭기(LNA), 단종단 게이트 믹서, 정합 회로, 헤어핀 라인 대역 통과 필터, 쳬비셰프 저역 통과 필터로 구성하였다. 저잡음 증폭기는 높은 이득과 안정도를 갖도록 설계하였으며, 단종단 게이트 믹서는 높은 변환이득과 넓은 동작 영역을 갖도록 설계하였다. 광대역 RF모듈의 해석에서는 복합화된 하모닉 밸런스드 기법을 사용하여 RF모듈의 동작 특성을 해석하였다. 설계된 RF 모듈은 55.2dB의 변환이득, 1.54dB의 낮은 잡음 특성, $-120{\sim}-60dBm$의 넓은 RF전력 동작 영역, -60dBm의 낮은 고조파 성분 그리고 RF, IF, LO포트 간에 우수한 분리 특성을 갖는다.
본 논문에서는 K-대역 무궁화 위성의 하향변환기용 저잡음 증폭기를 설계하였다. 30dB이상의 높은 이득을 필요로 하는 하향변환기용 저잡음증폭기의 특성을 만족시키기 위해 3단으로 구성하였다. 설계된 3단 저잡음 중폭기에 대해 모의 실험한 결과 입력신호의 동작 주파수 19.2㎓∼20.2㎓에서 33dB의 이득과 0.93dB의 잡음지수를 보였으며, 제작 측정한 결과 이득은 25dB, 잡음지수는 1.5dB를 보였다. 한편 이 중폭기의 입·출력 반사계수는 각각 -25dB와 -28dB로 나타났고, 입·출력 정재파비는 1.5 이하로 K-대역 무궁화위성의 하향변환기용 저잡음증폭기로써의 성능을 만족할 수 있었다.
본 논문에서는 유도전동기 벡터제어 인버터에서 상전류를 검출할 때 발생하는 측정 오차를 실시간으로 보상하는 방법을 제안한다. 전류측정에 오프셋 오차와 변환이득 오차가 포함될 경우의 3상 유도전동기 토크 방정식을 유도하여 이러한 측정 오차들이 전동기의 토크 리플을 유발하는 것을 보였으며, 이러한 토크 리플을 제거할 수 있는 방법을 제시하였다. 특히, 본 논문에서는 전동기의 운전 상태에서 실시간으로 변환이득 오차에 의한 토크 리플을 제거하는 방법을 제안하였다. 이를 200[W]급 3상 유도전동기의 벡터제어 인버터에 적용하여 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험을 수행함으로써 제안된 방법의 유효성을 검증하였으며, 그 결과 전류측정에서 변환이득 오차가 있더라도 전동기의 토크가 상당히 제거되는 것을 확인하였다.
고주파수, 고해상도 초음파 영상을 획득하기 위해서는 고주파수 초음파 변환기가 가지는 작은 구경에 따른 낮은 민감도와 침투 깊이에 따른 높은 감쇠량을 극복하여야 한다. 이는 고주파수 초음파 변환기의 본질적인 한계점이므로 수신 시스템을 통하여 그 한계점을 극복하여야 한다. 본 논문은 고주파수, 고해상도 초음파 영상을 위하여 고주파수 초음파 변환기의 본질적인 한계인 낮은 민감도와 높은 감쇠량을 극복할 수 있는 저잡음 광대역 수신 시스템 개발과 특성 평가 결과에 관한 것이다. 개발한 저잡음 광대역 수신 시스템은 80 MHz 이상의 동작 주파수 대역에서 최대 73 dB의 증폭 이득과 48 dB의 가변 이득 범위를 만족하며 ${\pm}1dB$의 증폭 이득 평탄도 성능을 가진다. 또한 개발한 수신 시스템은 상용 리시버에 비하여 8.4 dB 이상의 신호대잡음비 성능과 3.7 dB 이상의 대조도 성능이 우수함을 확인하였다.
Emitter degeneration에 의한 band SiGe HBT 이중 평형형 상향 주파수 혼합기의 선형성 개선 효과를 비교하였다. 시뮬레이션을 통해 출력 전력과 변환 이득을 동시에 고려하여 degeneration 저항값을 최적화 시켰으며 이를 $0.35{\mu}m$ Si-BiCMOS 공정을 이용하여 제작하였다. 제작 및 측정 결과, -5 dBm의 8.0 GHz LO 신호 및 100 MHz의 IF 신호 입력 시, degeneration 저항이 없는 상향 주파수 혼합기는 15.5 dB의 선형 변환 이득과 -13 dBm의 RF 출력 전력 및 3.7 dBm의 $OIP_3$를 나타내었고, degeneration 저항을 사용한 상향 주파수 혼합기는 9 dB의 선형 변환 이득과 -10 dBm의 RF 출력 전력 및 8.7 dBm의 $OIP_3$를 각각 나타내었다.
본 논문에서는 하나의 트랜지스터로 발진과 주파수 혼합이 동시에 이루어지는 self-oscillating-mixer(SOM) 방식을 적용하여 높은 변환 이득을 갖는 X-band 도플러 레이더를 설계하였다. SOM의 위상 잡음 특성을 향상시키기 위하여 ${\lambda}/2$ slotted square patch resonator(SSPR) 공진기를 제안하였으며, 동일 주파수에서 기존 공진기에 비해 50 %의 면적 감소와 175.4의 높은 Q값을 이루었다. 제작된 SOM은 저 전력 시스템을 구현하기 위해 1.7 V의 낮은 바이어스 전압을 인가해 주었으며, 높은 변환 이득을 위하여 트랜지스터의 pinch-off voltage 근처를 동작점으로 설정하였고, 변환 이득이 최대가 되도록 최적화 하였다. 제안된 SOM의 출력 파워는 10.65 GHz에서 -3.16 dBm으로 측정되었으며, DC Power consumption은 7.65 mW로 상대적으로 작은 전력을 소모한다. 또한, 9.48 dB의 높은 변환 이득 특성과 100 kHz offset에서 -90.91 dBc/Hz의 위상 잡음 특성을 나타내며, 이때 성능지수(FOM)는 -181.8 dBc/Hz 으로 다른 SOM에 비해 7 dB 이상 개선되었다.
본 논문에서는 전류 모드 동작에 기반한 IEEE 802.15.4 규격을 만족하는 2.4GHz 저전력 직접 변환 송신기를 제안하고 $0.13{\mu}m$ CMOS 공정을 이용하여 구현하였다. 제안된 송신기는 디지털-아날로그 변환기, 저역통과 필터, 가변 이득 I/Q 상향 혼합기, 구동 증폭기 및 LO 버퍼를 포함하는 주파수 나누기 2회로로 구성되어 있다. 디지털-아날로그 변환기와 저역통과 필터(LPF), 가변이득 I/Q 상향 혼합기의 트랜스컨덕터 단을 하나의 전류 미러 회로로 합친 간단한 구조를 제안하여 전력 소모를 줄이면서 선형성을 향상할 수 있도록 하였다. 구동 증폭기는 캐스코드 타입의 증폭기로 제어 신호를 이용하여 이득을 조절할 수 있게 하였고, 외부 4.8GHz 신호를 받아 주파수 나누기 2 전류 모드 로직 (CML) 회로를 사용하여 2.4GHz I/Q 차동 LO 신호를 생성하도록 설계하였다. 구현한 송신기는 30dB의 이득 조정 범위를 가지면서 0dBm의 최대 출력 신호에서 33dBc의 LO 누설 성분, 40dBc의 3차 하모닉 성분의 특성을 보이며, 구현한 칩의 면적은 $1.76mm{\times}1.26mm$으로 전력소모는 1.2V 단일 전원 전압으로부터 10.2mW이다.
본 논문에서는 광대역 신호를 수신할 수 있는 혼성변환 방식의 RF 전단부 구조를 제안하고 이의 타당성을 설계, 제작 및 실험을 통하여 검증하였다 제안한 혼성변환 방식의 RF 전단부는 상향변환 블럭을 적용하여 광대역 수신시 고조파 변환 및 영상신호 변환에 의해 발생되는 기존 RF 전단부의 성능 저하 문제를 개선했으며, 부고조파 혼합기에서 대역폭이 증가되는 원리를 적용하여 광대역 LO 신호의 구현을 위해 여러개의 국부발진기를 사용하는 기존 RF 전단부 구조들의 복잡도 문제를 개선하였다 제작한 회로들은 실험 결과 도출한 설계 규격을 만족하였고 RF 전단부 또한 80 dB 이상의 이득, 60 dB 이하의 잡음지수, 최소 이득조건에서 -50 dBm 이상의 IIP3 특성으로 목표 규격을 만족하였다.
본 논문에서는 K-band 위성방송다점분배서비스(SMDS)용 하향변환기를 설계하였다. SMDS용 하향변환기는 입력신호 주파수 19.2GHz~20.2GHz에 대한 3단 저잡음 증폭기, 대역통과필터와 고 안정국부발진기 및 드레인 믹서, IF단으로 구성하였다. 저 잡음 증폭단은 28㏈의 이득과 1.5㏈의 잡음지수 특성을 보였으며, 국부 발진기는 고 안정 유전체 공진 발진기로 구성하여 주파수 18.25㎓에서 0.5㏈m의 출력전력과 -84.67㏈c/Hz@10KHz의 위상잡음을 나타내었다. 드레인믹서는 19.2㎓~20.2㎓의 RF신호를 인가하였을 때 950MHz~1950MHz 범위에서 변환이득은 5㏈를 나타내었다. 본 연구에서 설계된 K-대역하향변환기는 SMDS 및 국내 K-band 위성인터넷 규격을 만족시킬 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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