한국산학기술학회논문지 Vol. 10, No. 10, pp. 2639-2645, 2009
구자경 1 , 임종식 1* , 한상민 1 , 안달 1 1 순천향대학교 전기통신공학과
Design of a CPW Oscillator Using Spiral Resonators
1 Department of Electrical and Communication Engineering, Soonchunhyang University
요 약 본 논문은 나선형 공진기를 이용한 CPW 발진기의 설계에 대하여 기술한다 . CPW 나선형 공진기는 기존의 CPW 헤어핀 , 헬리컬 공진기에 비하여 높은 Q 특성을 가지므로 출력특성과 크기가 개선된 발진기 설계에 유리하다 . CPW 발진기 설계에 앞서 세 가지 CPW 공진기의 특성을 비교한다 . EM 시뮬레이션을 행하여 공진기 설계 및 발진 기 성능 확인에서의 정확도를 높였음을 보인다 . 세 가지 CPW 공진기를 이용하여 , 5.7 GHz 대역에서 각각 발진기를 설계하였다 . 제작 및 측정 결과 , 헬리컬 , 헤어핀 , 나선형 공진기를 이용한 각각 CPW 발진기의 측정된 출력은 각각 2.55 dBm, 2.64 dBm, 4.98 dBm 이다 . 한편 세 가지 공진기는 각각 102.15mm 2 , 130.05mm 2 , 80.625mm 2 크기를 보여 , 제안한 CPW 나선형 공진기가 다른 공진기에 비해 크기 감소 효과도 우수함이 제시된다 .
Abstract
Key Words :
나선형 공진기를 이용한 CPW 발진기 설계
Jakyung Koo1, Jongsik Lim1*, Sang-Min Han1, Dal Ahn1
Abstract
This paper describes a CPW oscillator using a spiral resonator. Spiral resonators are very useful in design CPW oscillators since they show a relatively higher Q than CPW hairpin and helical resonators. Prior to the design of oscillators, three CPW resonators are designed and compared. Electromagnetic (EM) simulation are performed for an improved design in design the CPW resonators and oscillators. Three oscillators are designed at 5.7 GHz using the mentioned CPW resonators. The measured output power of three CPW oscillators using the helical, hairpin, and spiral resonators are 2.55 dBm, 2.64 dBm, and 4.98 dBm, respectively. In addition, the 2 2 2 size of three resonators are 102.15mm , 130.05mm , and 80.625mm , respectively, so it is proven that the proposed CPW oscillator using the spiral resonator has a smaller size than the others. CPW oscillator, spiral resonator, hairpin resonator, helical resonator
1. 서론 무선 통신의 급속한 발전에 따라 더욱 가볍고 집적도 가 높은 회로가 요구되고 있다. 여러 종류의 무선통신용 회로는 대부분 하이브리드 타입의 마이크로파 집적회로 (hybrid microwave integrated circuits, HMIC) 형태로 구 현되는데, 회로의 소형화, 집적화, 경량화 등의 이유로 평 면형 전송선로로 구성하는 방식이 가장 일반적이다. 평면 형 전송선로 구조는 마이크로스트립 선로, 슬롯 선로, CPS(coplanar strip) 선로, CPW(coplanar waveguide) 선로 등이 있다. CPW 전송선로 구조는 마이크로스트립 선로 와 더불어 1960년대부터 현재까지 꾸준히 연구와 응용이 시도되고 있는데, 특히 고주파화 및 고집접화를 위하여 최근에는 CPW 전송선로 구조를 이용한 응용이 더욱 활
발하게 연구되고 있다[1,2]. 이와 같은 배경으로 본 논문에서는 CPW 구조의 나선 형(spiral) 공진기를 이용한 CPW 발진기의 설계에 대하 여 언급하고자 한다. 제안하는 발진기는 CPW 나선형 공 진기의 장점을 이용하는 구조로서, 종래에 발표된 CPW 헤어핀과 헬리컬 공진기를 이용한 발진기에 비하여 출력 전력이 개선되고 크기가 크게 감소하는 장점을 갖는다. 본 논문에서는 연구 여건상 여러 제약 때문에 비록 HMIC 기술을 이용하여 CPW 공진기와 발진기를 제작 및 측정하지만, 제안된 구조는 아주 높은 초고주파 영역 을 위한 반도체형 CPW 마이크로파 집적회로(monolithic microwave integrated circuits, MMIC) 회로에도 그대로 적용될 수 있다.
(a)
3.2 Helical 공진기 특성 임피던스 50Ω으로 된 전송선로의 양끝이 헬리컬 형태로 중첩되어 결합되어 있는 형태이다. 헬리컬 선로의 끝은 비아홀을 통하여 서로 3/4 파장의 길이로 이어져 있 다. 비교적 높은 Q값을 가지지만 구현하는데 어려움이 있다[4,5]. 그림 3은 helical 공진기의 layout 형태를 보여주고 있 다. helical 공진기는 유전체를 가로질러 위쪽에 3/4 파장 의 길이와 아래쪽에 3/4파장의 길이를 갖는 선로가 선로 비아홀을 통해 연결되어있는 구조이다. 이때 박스 부분 안쪽으로 크기는 9×11.35mm 2 으로 확인되었다.
[그림 4] Spiral 공진기의 layout (l=7.5mm, w=3.5mm) 3.4 세 가지 공진기의 특성 비교 공진 특성이 날카롭게 떨어질수록 3dB 대역폭은 좁아 지고, 결국 Q 값은 커지게 된다. 이것은 소위 회로 Q라고 해서 회로에서의 대역폭과 관련된 개념이다. Q가 낮으면 대역폭이 넓다는 의미이고 높으면 협대역의 의미를 가진다. 공진이란 특정 주파수의 선택 특성을 의미하므로 얼마 나 날카롭게 떨어지는 주파수 특성을 보이느냐에 따라서 주파수 선택을 의미하는 지표인 Q값이 달라진다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, spiral 공진기는 다른 두 개 의 공진기보다 협대역의 특성을 갖는다. 따라서 공진기의 Q 특성을 나타내는 수식 (1)로부터 Q값이 더 우수하다는 것을 의미한다. 상대적으로 높은 Q값은 발진기의 출력
system)에 내장된 모멘텀(momentum)을 사용하였다. 즉, CPW 공진기를 EM 시뮬레이션하여 삽입한 이후에 트랜 지스터 케이트 단자에서 과 을 체크하고, 이후에 드레인 단자에서의 출력정합 회로를 설계한 후 이를 모 멘텀으로 시뮬레이션 하여 설계의 정확도를 높이도록 하 였다.
[그림 7] 주파수 변화에 대한 임피던스 허수 성분의 합
5. 발진기의 제작 및 측정 상기에서 설계한 세가지 CPW 발진기를 제작하고 측
(c) [그림 8] 세 가지 공진기를 이용한 CPW 발진기 사진 (a) 나선형 공진기 (b) 헬리컬 공진기 (c) 헤어핀 공진기 그림 9는 세 발진기의 측정 성능을 보여주고 있다. 동 일한 바이어스 조건에서 유사한 발진주파수가 형성된 상 태에서, 예측대로 나선형의 경우가 가장 큰 출력특성을 보여주고 있음을 알 수 있다.
(a)
(b)
(c) [그림 9] 세 가지 CPW 발진기의 측정된 출력 전력
그림 10은 나선형 공진기를 이용한 CPW 발진기의 측 정된 위상잡음을 보여주고 있다. 측정결과 발진주파수에 서 offset의 특성을 보여주었다. 한편 헬리컬 공진기를 이용한 경우와 헤어핀 공진기를 이용한 발진기의 경우에 측정된 위상잡음은 동일한 바이 어스 조건에서 각각 측정되었다. 따라서 헬리컬 공 진기의 경우와는 유사하면서 헤어핀 공진기의 경우보다 는 우수한 위상잡음 특성을 갖는 것으로 측정되었다. 한 편, 표 1은 상기에서 언급한 세 가지의 발진기에 대한 비 교를 위하여 알기 쉽게 정리한 표이다.
6. 결론 본 논문에서는 나선형, 헬리컬, 헤어핀의 세 가지의 CPW 공진기를 이용한 CPW 발진기를 설계, 제작하고 그 특성을 측정하여 서로 비교하였다. 측정 결과 나선형 공 진기를 이용한 CPW 발진기가 다른 발진기보다 2.34 ∼ 2.43dBm만큼 더 높은 출력을 나타내었다. 또한 나선형 공진기의 크기가 약 5.8GHz대의 동일한 주파수에서 다 른 형태의 공진기보다 21 ∼ 38%만큼 더 작음을 알 수 있 었다. 종래 HMIC 기술을 이용한 CPW 발진기의 성능개선을 위하여 헬리컬 공진기를 이용한 발진기가 발표되었으나, 본 논문에서는 이보다도 출력특성이 우수하고 크기가 작 은 CPW 나선형 공진기를 이용한 발진기가 제시되었다.
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