Phase-locked loop 구현을 위한 V-band VCO 와 frequency divider MMICs 의 설계

Abstract

최근mm-wave영역의 무선 통신 시스템과 레이더 시스템의 발달해 가고 있다. 광 대역 통신에 기반을 둔 저가의 V-band 응용분야에 관심이 대두되고 있다. 특히 60 GHz 대역 ( 55 ~ 65 GHz ) 은 광 대역 전송이 가능하고, 산소에 의한 흡수 감쇄가 커서 동일 채널 간섭 확률이 줄어들고 동일 주파수 재사용이 가능하므로 경제적인 시스템 구성이 가능하여 여러 분야에 대한 사용이 가능하다. 또한 unlicensed의 구역으로 사용이 자유롭다. 위성간 통신 (Satellite Cross Link), 상업용 대용량 무선 시스템 그리고 차량 충돌 방지 시스템 등에 응용 가능하다. 이러한 무선 통신 시스템과 레이더 시스템에서 정확하고 깨끗한 신호를 복원하기 위해서 필요한 것이 주파수 합성기 (Frequency synthesizer)이다. Phase lock된 신호 원은 모든 송신단과 수신 단에서 매우 중요한 요소이다. 주파수 원은 wireless system의 전체 성능에 크게 영향을 미친다. 높은 Q값을 지니는 dielectric resonator (DR) 을 이용한 신호 원은 매우 우수한 스펙트럼 특성을 가지나, dielectric resonator oscillator (DRO)의 경우 size가 너무 커서 집적화에 어려워 대량생산이 어렵다. 따라서 집적화가 가능한 phased lock된 회로를 사용함으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 본 논문에서는 가격 경쟁력이 우수한 InGaP/GaAs HBT를 사용하여 PLL 구현을 위한 VCO와 frequency divider를 설계하였다. 고주파 PLL을 구현하기 위해서 중요한 부분은 높은 주파수 영역에서 동작하는 VCO와 frequency divider이다. VCO 와 frequency divider를 상업적으로 널리 사용되는 저주파 PLL synthesizer와 연결하여 PLL를 구현한다. Voltage controlled oscillator (VCO) 에서 원하는 주파수를 만들어내고, 이를frequency divider에서 낮은 주파수에서 동작하는 PLL synthesizer가 처리할 수 있도록 낮은 주파수 영역으로 바꾸어 준다. 현재, 고주파 PLL을 구현하기 위한 VCO와 frequency divider에 대한 연구가 진행되어 오고 있다. 본 연구에서는 push-push VCO 형태로써 fundamental 성분뿐만 아니라 second harmonic 성분을 얻기 위하여 frequency doubler를 연결한 VCO를 설계하였다. 동작 주파수가 증가 함에 따라 high quality factor 를 가지는 inductor 와 varactor를 구현하기 어렵다. 따라서 Push-push 구조를 사용 함으로써 2fO 로 구현 하는 것에 비해 fO에서의 inductor 와 varactor의 좋은 특성을 활용할 수 있다. 또한 일반 적인 PLL 구조의 경우 frequency divider 에서 첫 단의 frequency divider 는 2fO 에서 동작을 요구하나 push-push 구조를 사용한 경우 첫 단의 frequency divider 는 fO 에서 동작을 요구된다. 따라서 상대적으로 push-push VCO 를 사용한 경우 높은 주파수에서 동작하는 frequency divider 가 요구되지 않는다. 이는 저가의 technology 를 사용하여 구현이 가능하게 한다. 주어진 $f_T$ 에 대해서 높은 주파수에서 동작할 수 있도록 dynamic frequency divider를 첫 단에 사용하고 둘째 단과 셋째 단에 static frequency divider를 사용한 1/8 frequency divider을 설계하였다. 또한 높은 동작 주파수를 얻기 위하여 dynamic frequency divider의 upper differential pairs 에 active loads 를 넣은 방법을 사용하여 1/8 frequency divider 의 첫 단의 dynamic frequency divider를 설계하였다. 또한, active lo