SIW 구조를 이용한 저 위상잡음 전압 제어 평판형 복합공진기 발진기 설계

Abstract

본 논문에서는 저 위상잡음을 갖는 전압 제어 평판형 복합공진기 발진기(Vt-PCRO: Voltage-tuned Planar Composite Resonator Oscillator)를 설계, 제작하였다. 설계된 발진기는 공진기, 2개의 위상천이기, 증폭기로 구성된다. 공진기는 dual mode SIW(Substrate Integrated Waveguide) 공진기를 이용하여 구성하였으며, 약 40 nsec의 높은 군지연을 갖도록 하였다. 2개의 위상천이기 중(PS1, PS2: Phase Shifter 1 및 Phase Shifter 2) PS1은 <TEX>$360^{\circ}$</TEX>의 위상천이량을 가지며, 제작된 발진기의 전송선로 길이에 관계없이 개루프 이득(open loop gain) 발진조건을 만족하도록 한다. PS2는 약 <TEX>$70^{\circ}$</TEX>의 위상천이량을 가지며 발진 주파수 조정용으로 사용된다. 증폭기는 제작 시 발생한 큰 삽입손실의 문제를 보완하기 위해 2단으로 구성하였다. 개루프 이득 측정을 통해 발진 조건을 만족하는 PS1의 전압을 측정한 뒤, 폐루프로 구성하여 발진기를 구현하였다. 발진기 측정 결과, 5.345 GHz의 발진 주파수에서, 위상 잡음은 100 kHz offset 주파수에서 -130.5 dBc/Hz를 얻었다. 이때 출력 전력은 약 3.5 dBm, 전기적 주파수 조정 범위는 0~10 V의 조정 전압에서 약 4.2 MHz를 보였다. In this paper, we present a design and implementation of a Voltage-tuned Planar Composite Resonator Oscillator(Vt-PCRO) with a low phase noise. The designed Vt-PCRO is composed of a resonator, two phase shifters, and an amplifier. The resonator is designed using a dual mode SIW(Substrate Integrated Waveguide) resonator and has a group delay of about 40 nsec. Of the two phase shifters (PS1 and PS2), PS1 with a phase shift of <TEX>$360^{\circ}$</TEX> is used for the open loop gain to satisfy oscillation condition without regard to the electrical lengths of the employed microstrip lines in the loop. PS2 with a phase shift of about <TEX>$70^{\circ}$</TEX> is used to tune oscillation frequency. The amplifier is constructed using two stages to compensate for the loss of the open loop. Through the measurement of the open loop gain, the tune voltage of the PS1 can be set to satisfy the oscillation condition and the loop is then closed to form the oscillator. The oscillator with a oscillation frequency of 5.345 GHz shows a phase noise of -130.5 dBc/Hz at 100 kHz frequency offset. The oscillation power and the electrical frequency tuning range is about 3.5 dBm and about 4.2 MHz for a tuning voltage of 0~10 V, respectively.