Microwave oscillators, which act as reference signal generation circuit components in most RF systems, have many key design parameters such as phase noise and DC-RF conversion efficiency. Because the phase noise of an oscillator circuit directly determines the interference between the communication channels, the importance of low phase noise oscillator circuit design cannot be overestimated. The high DC to RF conversion efficiency in oscillator circuit should also be considered in oscillator design in order to achieve the longer battery life time and stable transceiver operation.
In this study, we present novel phase noise reduction methods based on various novel planar resonator components which have their respective mechanisms for achieving higher Q than those of other conventional planar resonators. In terms of efficiency characteristics, we present the comparative results of efficiency enhancements which are originated from the spurious-free resonance characteristics of these resonators.
Both phase noise reduction and efficiency enhancement of an oscillator circuit are effectively achieved by only introducing novel resonator structures with very little chip size increment. In order to maintain the compatibility with MMIC’s or PCB processes, the planarity of the circuits are strictly kept throughout the all of the circuits.
발진기(Oscillator)는 모든 RF 송수신 시스템의 필수불가결한 기본 회로로서 각 채널간의 간섭을 최소화하기 위해서는 낮은 위상잡음을 위한 설계가 필수적이다. 또한, battery용량의 제한으로 인하여 고효율의 발진기 설계가 절대적으로 요구되고 있다. 이러한 발진기의 저잡음과 고효율을 위하여 그 동안은 높은 선택도(Q- factor)를 가지는 유전체 공진기(dielectric resonator)가 많이 사용되어 왔으나, 유전체 공진기의 bulky size문제에 기인한 MMIC응용 및 고밀도 집적화에 대한 어려움 등의 문제에 직면하여 이러한 유전체 공진기를 대체할 수 있는 새로운 높은 선택도를 갖는 평면형 공진기 및 그 응용연구가 활발히 진행되고 있는 추세이다.
본 연구에서는 다양한 새로운 평면형태의 공진기를 발진기 설계에 접목시켜 기존의 평면형 공진기의 단점이었던 낮은 Q- factor와 spurious 공진 문제를 극복하고 이에 기인한 저위상잡음과 뛰어난 고조파 발진 억압 특성을 갖는 발진기 제작 및 각각의 비교 측정 결과를 대표적인 평면형 RFIC설계 기술인 microstrip기술과 coplanar waveguide(CPW) 기술 각각에 대하여 제시하였다.
Microstrip 기술에서는 새롭게 고안된 고조파 억압용 링-type 공진 셀을 발진기의 공진기로 적용함으로써 2차/3차 고조파를 억압을 통한 새로운 발진기의 DC-RF 변환 효율 향상 방법을 제안하였으며, CPW 기술의 측면에서는 corrugated CPW electromagnetic bandgap (EBG) 구조, split ring resonator (SRR), printed helical resonator (PHR) 등을 각각 발진기의 공진기로 적용하였다. 가장 먼저 CCPW EBG 공진기는 공진기의 입력 임피던스가 갑자기 변할 때 공진기의 Q-factor가 높게 나온다는 K.Kurokawa의 이론에 기반한 것으로, 이를 발진기에 적용하여 발진기의 최종 위상잡음을 향상을 이루었다. 두번째로 SRR 구조는 그 구조의 negative permeability 특성을 이용한 것으로 전송선을 통하여 wave가 진행할 때 SRR구조의 공진주파수의 wave는 그 진행 방향이 다른 주파수의 wave와는 반대 방향이 된다는 특성을 이용한 것으로 기존의 EBG구조와는 다르게 적은 개수의 unit cell로도 원하는 특성을 얻을 수 있어서 부수적인 회로의 소형화에도 기여할 수 있었다. 마지막으로 printed helical resonator (PHR)구조는 구조적 공진기로서 뛰어난 특성을 가진 공진기였지만 그 입체구조로 인하여 초고주파 영역의 응용에서는 제약이 있었던 기존의 helical 공진기를 평면화시킨 것으로 공진기의 높은 Q-factor에 기인한 발진기의 위상잡음의 감소를 얻을 수 있었다. 또한 상기 기술한 세가지 새로운 공진기 모두 고조파 공진이 억압되는 구조적 특성을 지니고 있어서 발진기에서 근본적으로 존재하는 고조파들을 억압할 수 있는 특성도 부수적으로 얻을 수 있었다.
본 논문에서 제시된 새로운 발진기의 성능향상 방법론은 모두 평면형 공진기 제작 기술에 기반한 형태이므로 제작과 측정이 용이하며, 또한 기존 반도체 공정에서의 metal deposition 기술과 완벽하게 호환 가능하여 새롭게 각광받고 있는 기술 분야인 RF CMOS, SiGe기반의 HBT, HEMT 등의 트랜지스터를 이용한 millimeter-wave영역의 초고주파 집적회로에도 쉽게 적용 가능하다는 추가적인 장점이 있다.
