Microwave oscillators are very important components in wireless communication systems (WCS) because they produce a RF signal in wireless transceivers. Among other properties of oscillators, the phase noise, which affects stability of modulation demodulation system and bit-error-rate, is a key parameter for enhancing the performance of WCS. In order to achieve low phase noise, a technique for employing high-Q resonator such as dielectric resonator (DR) is used. However, DR is bulky, nonplanar structure and high cost, thus it is not suitable for microwave monolithic integrated circuit (MMIC). To address this problem, various planar resonators and filters are used such as hairpin resonator, elliptic filter and so forth. However, these planar types cannot simultaneously satisfy the compact size and the high-Q factor. Hence, a new resonator to satisfy the planar compact structure with the high-Q factor is required for enhancing the performance of oscillators.
This thesis suggests a new resonator that is named hairpin-shaped resonator (HSR) utilizing composite right/left-handed transmission line (CRLH TL). The proposed resonator consists of the CRLH TL and the two conventional transmission lines (CTL). In order to obtain the high-Q factor, a concept of dominant factor (DF) is proposed that determine the resonance ratio of the CRLH TL and the CTL. The positive DF provides a dominant resonance of CRLH TL, thus the electric field is concentrated on CRLH TL. Then, proposed resonator has high-Q factor because the CRLH TL provides slow wave effect that reduces the leaky wave such as a loss. For more high-Q factor, the proposed resonator is optimized by reducing the conductor loss. The conductor loss of the CTL hardly changed, whereas the conductor loss of the CRLH TL can be reduced by the presented method. To according the technique of the reducing the loss, proposed resonator obtain the high-Q factor with planar compact structure. The developed microwave oscillator based on HSR utilizing CRLH TL is experimentally demonstrated with SiGe heterojunction bipolar transistor (HBT). At the oscillation frequency of 4.95 GHz, the measured phase noise is -120.5 dBc/Hz at 100 kHz offset frequency with output power of 4.93 dBm.
The proposed oscillator can be extended to voltage controlled oscillator (VCO) and can be easily implemented in integrated circuit (IC) process such as MMIC because of the planar compact structure of the proposed resonator.
초고주파 발진기는 현대의 무선 통신 시스템에서 필수불가결한 부품이다. 무선 통신을 위해서는 주파수가 필요하고, 이 주파수의 신호원이 발진기이기 때문이다. 발진기는 여러 가지의 특성들을 가지고 있다. 그중에서 위상 잡음은 가장 중요한 특성이라고 할 수 있다. 일반적으로는 모든 특성들이 고루 중요하다고 할 수 있지만, 발진기에서의 위상 잡음은 그 무엇보다 중요하다. 그 이유는 발진기의 목적이 신호원을 만들어 내는 것이며, 가장 이상적인 신호원이 필요하기 때문이다. 위상 잡음은 무선 통신의 주파수 변복조 시스템에서 안정성 및 효율에 지대한 영향을 미치며, 비트 오류율 (BER, bit-error-rate) 및 인접 채널 간섭 (adjacent channel interference)에도 영향을 미친다. 발진기의 위상 잡음을 낮추기 위해 주파수 선택 요소인 공진기나 여파기에 관한 연구들이 많이 진행 되었다. 그 이유는 발진기의 위상 잡음에서 주파수 선택 요소의 부하 시 Q 값이 가장 지배적인 영향을 미치기 때문이다. 그 중에서 유전체 공진기는 높은 Q 값을 갖는 대표적인 공진기이다. 하지만 3차원 형태의 큰 크기와 높은 가격의 단점들을 가지고 있다. 따라서 이를 해결하기 위해 헤어핀 공진기와 같은 평면형 공진기가 연구되어져 왔는데, 이는 높은 Q 값을 얻지 못한다. 따라서, 높은 Q 값을 가지면서 소형 크기를 갖는 평면형 공진기가 필요하다.
본 논문에서는 초고주파 발진기의 성능 개선을 위해 새로운 공진기를 제안하였다. 발진기 응용을 위한 공진기는 높은 부하 시 Q 값을 가져야 한다. 제안하는 공진기는 CRLH 전송선과 기본 전송선으로 구성되어져 있다. 공진에서의 CRLH 전송선의 영향을 극대화하기 위해 지배적 요소라는 개념을 도입하였다. CRLH 전송선의 slow wave 효과와 도체 손실의 최소화와 같은 최소 손실을 위한 최적화로 높은 Q 값을 얻었다. 이를 전기장 분포와 방사 이득 패턴을 통해 확인하고, 제작을 통한 측정으로 높은 Q 값을 검증하였다. 제안하는 공진기는 기본적으로 평면형 형태를 가지며, CRLH 전송선의 소형 크기 제작법을 통해 소형화시켰다. 제안한 공진기를 한 단자 부성 저항 발진기 형태에 응용하였고, 트랜지스터는 SiGe HBT를 사용하여 낮은 소비 전력을 이뤘다. 제안한 SiGe HBT C 밴드 발진기의 제작을 통해 발진기의 성능들을 측정하였다. 발진 주파수는 4.95 GHz, 출력 전력은 4.93 dBm 이며, 위상 잡음은 100 kHz 편차 주파수에서 -120.5 dBc/Hz 의 우수한 특성들을 보였다. 발진기의 성능을 나타내는 Figure-Of-Merit (FOM)은 -206.3 dBc/Hz 로써 최근 연구되었던 소형의 평면형 발진기 중에서 가장 우수한 성능을 나타내고 있다.
본 연구에서 제안한 발진기는 칩 형태의 트랜지스터와 마이크로스트립 선로를 통해 HMIC 기술로 제작되었다. 제안한 공진기의 헤어핀 공진기와 같은 구조로 인해, 발진기를 전압 제어 발진기로의 확장이 기대되며, 제안한 공진기의 소형 크기와 평면형 특성으로 MMIC 기술을 통한 제작이 가능할 것으로 보인다.
