The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science (한국전자파학회논문지)

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A 5-GHz Oscillator Using Frequency-Locked Loop with a Single Resonator

단일-공진기로 구성된 주파수-잠금 회로를 이용한 5-GHz 발진기

  • Lee, Chang-Dae (Hanwha Systems) ;
  • Lee, Dong-Hyun (Department of Radio Science and Engineering, Chungnam National University) ;
  • Lee, Chang-Hwan (Department of Radio Science and Engineering, Chungnam National University) ;
  • Yeom, Kyung-Whan (Department of Radio Science and Engineering, Chungnam National University)
  • Received : 2018.08.20
  • Accepted : 2018.11.05
  • Published : 2018.11.30
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Abstract

In this paper, the design and fabrication of a frequency-locked-loop(FLL) 5-GHz oscillator with a single resonator is presented. The proposed oscillator is the simplified version of the previous FLL oscillator with two separate resonators in the VCO and frequency detector. The resonator is commonly used in the VCO and frequency detector of the proposed oscillator configuration. The 5-GHz oscillator is implemented on the hetero-multilayer substrate composed of a Rogers' RO4350B laminate, which has excellent high-frequency performance, and the commercial FR4 three-layer substrate. The frequency locking occurs at approximately 5 GHz and has an output power of 3.8 dBm. The phase noise has a free-run VCO phase noise at frequencies above 1 kHz, and an FLL background noise at frequencies below 1 kHz. For this loop-filter, the phase noise showed an improvement of approximately 12 dB at the offset-frequency of 100 Hz.

본 논문에서는 VCO와 주파수검출기(frequency detector)에 각각 별도의 공진기를 사용하여 구성된 기존의 주파수-잠금회로(frequency locked loop: FLL) 구조 발진기를 개선하여, 단일-공진기로 구성된 주파수-잠금 회로를 이용한 구조가 단순화된 5-GHz 발진기의 설계제작을 보였다. 이때 공진기는 VCO 및 주파수검출기 구성에 공용으로 사용된다. 제작된 5-GHz 발진기는 고주파 성능이 우수한 Rogers사의 RO4350B와 상용 FR4 3층 기판을 이종-접합하여 구성하였으며, 주파수 잠금은 약 5 GHz에서 일어나며, 3.8 dBm의 출력을 갖는다. 위상잡음은 offset-주파수 1 kHz를 경계로 1 kHz 이상에서는 VCO의 위상잡음을, 1 kHz보다 낮을 때는 FLL 바탕잡음을 갖도록 하였다. 이와 같이 설정된 루프-필터에 대해 위상잡음의 개선은 offset-주파수 100 Hz에서 약 12 dB의 개선을 보였다.

Keywords

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그림 1. 참고문헌 [4]의 FLL 블록도 Fig. 1. Block diagram of the FLL in Ref. [4].

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그림 2. 간단화된 구조의 FLL 블록도 Fig. 2. Block diagram of the simplified FLL.

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그림 3. 제작된 FLL Fig. 3. Fabricated FLL.

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그림 4. 제작된 VCO Fig. 4. Fabricated VCO.

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그림 5. 측정된 VCO의 개-루프 이득 Fig. 5. The measured open-loop gain of the VCO.

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그림 6. VCO의 조정전압에 따른 주파수 변화 Fig. 6. VCO frequency vs tuning voltage.

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그림 7. VCO 위상잡음(Vt = 3.5 V) Fig. 7. Phase noise of VCO(Vt = 3.5 V).

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그림 8. 주파수 검출기(그림 2의 주파수검출기를 다시 그렸다.) Fig. 8. Frequency detector(It is redrawn from Fig. 2).

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그림 9. 주파수 검출기의 출력전압 Fig. 9. Output voltage of frequency detecter.

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그림 10. 루프-필터 Fig. 10. Loop filter.

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그림 11. 전위변환회로(R1 =2 kΩ, R2 =1 kΩ, Vocm=3.5 V) Fig. 11. Level shifter(R1 =2 kΩ, R2 =1 kΩ, Vocm=3.5 V).

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그림 12. 전위 변환회로 입-출력 특성 Fig. 12. Input-output characteristic of the level shifter.

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그림 13. FLL로 구성된 발진기의 스펙트럼 측정 결과 (Span=20 kHz) Fig. 13. The measured spectrum of the FLL oscillator(Span=20 kHz).

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그림 14. FLL 발진기의 위상잡음 Fig. 14. The phase noise of the FLL oscillator.

표 1. 100 Hz offset-주파수에서 위상잡음 특성 비교 Table 1. Comparison of the phase noises at 100 Hz offsetfrequency.

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References

  1. U. L. Rhode, A. K. Poddar, and G. Bock, The Design of Modern Microwave Oscillators for Wireless Applications: Theory and Optimization, John Wiley & Sons, Inc. 2005.
  2. Z. Galani, M. J. Bianchini, R. C. Waterman, R. Dibiase, R. W. Laton, and J. B. Cole, "Analysis and design of a single-resonator GaAs FET oscillator with noise degeneration," IEEE Transactions Microwave Theory Techniques, vol. 32, no. 12, pp. 1556-1565, Dec. 1984. https://doi.org/10.1109/TMTT.1984.1132894
  3. Z. Galani, R. A. Campbell, "An overview of frequency synthesizers for radars," IEEE Transactions Microwave Theory Techniques, vol. 39, no. 5, pp. 782-790, May 1991. https://doi.org/10.1109/22.79105
  4. 김욱래, 이창대, 김용남, 임평순, 이동현, 염경환, "주파수 잠금회로를 이용한 발진기의 위상잡음 개선," 한국전자파학회논문지, 27(7), pp. 635-645, 2016년 7월. https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2016.27.7.635
  5. 임평순, 이동현, 염경환, "위상주파수 검출기를 이용 한 주파수 잠금회로," 한국전자파학회논문지, 28(7), pp. 540-549, 2017년 7월. https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2017.28.7.540
  6. K. W. Yeom, Microwave Circuit Design: A Practical Approach using ADS, Prentice Hall Press, 2015.
  7. ROGERS, "RO4350, Laminate." Available: http://www. rogerscorp.com.
  8. Anaren, Ultra Low Profile 0805 Power Divider PD4859J 5050S2HF. Available: http://www.anaren.com.
  9. 손범익, 정해창, 염경환, "루프 군지연을 이용한 저위상 잡음 5 GHz 전압제어 유전체 공진기 발진기 설계," 한국전자파학회논문지, 25(3), pp. 269-281, 2014년 3월. https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2014.25.3.269
  10. Keysight Technologies, "N5230A PNA-L network analyzer, 10 MHz to 20 GHz." Available: http://www.keysight.com.
  11. E5052B, "Signal source analyzer, 10 MHz to 7, 26.5, or 110 GHz, Keysight Technologies, 5989-0903EN," 2007. Available: http://www.keysight.com.
  12. Synergy, "SMD6000, double balanced mixer, synergy microwave corporation." Available: http://synergymwave.com.
  13. National Semiconductor, "LM6152, dual and quad high speed/low power 75 MHz GBW rail-to-rail I/O operational amplifiers." Available: http://www.ti.com.
  14. Analog Devices, "AD8137, low cost, low power, differential ADC driver." Available: http://www.analog.com.
  15. Keysight Technologies, "PSA series spectrum analyzers, data sheet." Available: http://www.keysight.com.