본 논문에서는 낮은 위상잡음을 개선하기 위하여 마이크로스트립 사각 병렬 나선형 공진기를 이용한 향상된 전압 제어 발진기를 제시하였다. 마이크로스트립 사각 개방 루프 공진기는 큰 결합 계수 값을 갖는데 이는 Q값을 크게 만들고 전압 제어발진기의 위상 잡음을 줄일 수 있다. 1.8 V의 공급 전압을 사용한 전압 제어 발진기는 8.935~9.4 GHz의 주파수 조절 범위에서 -115.0~-117.34 dBc/Hz @100 kHz의 위상 잡음 특성을 갖는다. 마이크로스트립 사각 병렬 나선형 공진기와 일반적인 나선형 공진기를 비교했을 때, 개선된 Q값 특성은 -32.7 dB와 -57.6 dB이다. 제작된 저위상 잡음 전압 제어 발진기는 X-대역에서 전압 발진기로 이용될 수 있음을 확인 하였다.
InGaP/GaAs HBT공정을 이용하여 1.75 ㎓의 전압제어 발진기를 설계한다. 전압제어 발진기의 위상 잡음을 개선하기 위하여 저역 통과 필터의 특성을 가지는 새로운 잡음 제거 회로를 제안하고, 극 소형화를 위하여 FR-4 기판의 특수한 적층 구조를 이용한다. 제작된 전압제어 발진기의 주파수 변화 범위는 약 200 MHz이고, 위상 잡음은 120 KHz 옵?에서 -119.3 ㏈c/Hz이다. VCO 코어의 소비 전력은 공급 전원 2.8 V에서 11.2 ㎽이고, 출력 파워는 -2 ㏈m이다. FOM의 계산치는 191.7로써, 지금까지 발표된 FET나 HBT 전압제어 발진기보다 좋은 성능을 보인다. 완성된 전압제어 발진기의 크기는 3.266 mm ${\times}$ 3.186 mm로 극소형이다.
전압제어 적분기에 기초를 둔 새로운 전압-제어 발진기를 개발했다. 전체 회로는 operational transconductance amplifier(OTA)와 접지된 커패시터로 실현한 전압제어 적분기와, 슈미트 트리거(Schmitt trigger)로 구성된다. 입력제어 전류는 적분기의 적분 시정수를 변화시키고, 이것에 의해 회로의 발진 주파수가 바뀐다. 제어 전압이 0V일때 회로를 12.21KHz에서 발진시킬 경우, -2V에서 2V의 제어 전압 범위에서 전압-주파수의 변환 감도는 2.473Hz/V이고, 최대 직선 오차는 0.68%이다. 저주파에서 100KHz까지의 주파수 범위에서 회로의 주파수 안정도는 약 +250ppm/$^{\circ}$C이다.
본 논문에서는 메타 구조 Broadside Coupled 나선형 공진기(BC-DSRs)를 이용하여 전압 제어 발진기의 위상 잡음 특성을 줄이기 위한 새로운 구조를 제안하였다. 이러한 특성 실현을 위하여 연속된 나선형 구조를 신호면과 그라운드 면에 각각 적용하였다. 일반적인 전압 제어 발진기와 비교하였을 때, 본 논문에서 제안한 VCO는 더 큰 결합 계수를 가지며, 이로 인하여 얻을 수 있는 더 높은 Q값을 통하여 전압 제어 발진기의 위상 잡음을 줄일 수 있다. 1.8 V의 공급 전력을 갖는 전압 제어 발진기는 주파수 조절 범위, $5.749{\sim}5.853\;GHz$에서 $-121{\sim}-117.16\;dBc$/Hz @ 100 kHz의 위상 잡음 특성을 갖는다. 또한 전압 제어 발진기의 Figure Of Merit(FOM)은 동일한 주파수 조절 범위에서 $-198.45{\sim}-194.77\;dBc$/Hz @ 100 kHz의 특성을 보였다.
본 논문에서는 2.3GHz대역의 WLL(무선가입자 회선망)에 사용하는 전압제어발진기를 설계하였다. 설계된 전압 제어 발진기는 3.2V, 10mA에서 동작하고 출력은 0.67dBm, 위상잡음 특성은 100kHz 옵셋 주파수에서 -102dBc/Hz이고 동조대역폭은 1V-3V의 전압변화에 2200∼2240MHz까지 40MHz의 동조 대역폭을 얻을 수 있었다. 따라서 제작된 전압제어 발진기는 무선가입자 회선망에 적용할 수 있다고 본다.
본 논문에서는 능동 배열 안테나에서 RF 대신 중간주파수를 이용하여 빔 추적을 하는 방법이 연구되었다. 안테나의 각 배열은 전압제어 발진기, 위상추적기, 혼합기와 결합되어 있으며 혼합기는 안테나 상에서 직접 RF 신호를 직접 중간주파수 신호로 변환시킨다. 전압제어 발진기 입력은 위상추적기에 의하여 조절되며 배열 안테나의 주사범위는 위상추적기와 전압제어발진기에 의하여 결정되었다.
본 논문에서는 T-Junction 스위치 구조를 이용하여 이중 대역 전압제어 발진기를 설계, 제작하였다. T-Junction 스위치는 이중 대역 공진을 얻기 위한 스위치로서 공진부에 적용된다. 설계한 공진기를 발진기의 능동부와 결합하여 이중 대역 전압제어 발진기를 만들었다. 상위 주파수 대역 5.715 GHz 에서 전압제어 발진기의 출력 전력은 -1.42 dBm, 위상잡음은 1 MHz offset에서 -94.37 dBc/Hz이고 하위 주파수 대역 2.236 GHz에서 출력 전력은 -2.09 dEm, 위상잡음은 1 MHz offset -104.78 dBc/Hz 이다.
본 논문에서는 낮은 위상잡음과 고신뢰성을 갖는 전압제어 발진기를 비선형 설계하였으며 그 위상잡음을 Lesson식과 비교하여 잘 일치함을 확인하였다. 전압제어 발진기의 위상잡음을 개선하기 위하여 유전체 공진기와 결합하는 마이크로 스트립 라인을 고임피던스 변환기를 이용함으로써 공진회로의 Q값이 그대로 능동소자에 전달되도록 하였다. 또한 worst case 해석 및 part stress 해석을 수행함으로써 전압제어 발진기의 신뢰도를 높였다. 제작된 전압제어 발진기는 0$\~$12 V의 제어전압에서 0.56 MHz/V의 튜닝대역을 가지고 있으며 160 mW의 DC 전력을 소모한다. 또한 -116.5 dBc/Hz @100KHz와 -96.51 dBc/Hz @10KHz의 우수한 위상잡음 특성과 7.33 dBm의 출력을 얻었다.
본 연구에서는 컬러잡음에 의해서 교란되는 발진기의 점근적 위상잡음 공식을 유도하고 이에 근거하여 1/4 파장 마이크로스트립 라인을 전류원으로 갖는 서브-1V 직렬공진 차동 콜피츠 전압제어 발진기를 제안한다. 위상잡음에 관한 ADS 시뮬레이션 결과는 제안된 전압제어 발진기가 기존의 인덕터를 전류원으로 갖는 서브-1V 직렬공진 차동 콜피츠 전압제어 발진기보다 4.8GHz 발진주파수의 1MHz 오프셋 주파수에서 약 3dBc/Hz 더 낮은 위상잡음을 나타냄을 보인다.
본 논문에서는 마이크로스트립 사각 개방 루프 다중 Split Ring 공진기 (OLMSRR)를 이용하여 전압 제어 발진기의 위상 잡음 특성을 줄이기 위한 새로운 구조를 제안하였다. 이러한 특성 실현을 위하여 마이크로스트립 사각 개방 루프의 형태를 갖는 사각 형태의 다중 Split Ring 공진기 (MSRR)에 대하여 연구하였다. 일반적인 마이크로스트립 선로 공진기뿐만 아니라 위상 잡음 특성을 개선하기 위하여 제안된 마이크로스트립 사각 개방 루프 공진기와 마이크로스트립 사각 개방 루프 Split Ring 공진기 (OLSRR)와 비교할 경우에도 마이크로스트립 사각 개방 루프 다중 SRR는 더 큰 결합 계수를 갖으며, 이로 인하여 얻을 수 있는 더 높은 Q 값을 통하여 전압 제어 발진기의 위상 잡음을 줄 일 수 있다. 1.7 V의 공급 전력을 갖는 전압 제어 발진기는 주파수 조절 범위, $5.746\;{\sim}\;5.84\;GHz$에서 $-124.5\;{\sim}\;-122.0\;dBc/Hz$ @ 100 kHz의 위상 잡음 특성을 갖는다. 이 전압제어 발진기의 Figure Of Merit (FOM)은 동일한 주파수 조절 범위에서 $-203.96\;{\sim}\;-201.6\;dBc/Hz$ @ 100 kHz를 갖는다. 기본적인 마이크로스트립 선로 공진기, 마이크로스트립 사각 개방 루프 공진기, 마이크로스트립 사각 개방 루프 SRR를 이용한 전압 제어 발진기와 비교할 경우, 제안된 공진기를 이용한 전압 제어 발진기의 위상 잡음 특성은 각각 25.66 dB, 8.34 dB, 4.5 dB 개선되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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