본 논문에서는 Ku대역 추적레이더의 핵심부품인 고주파 헤드 내 주파수 믹서(혼합기)의 설계 및 제작 결과에 대해서 다룬다. 단일종단(Single-Ended) 및 단일평형(Single-Balanced) 믹서의 단점을 보완하기 위해서, Fine-Line 구조의 평형(Balanced) 믹서를 설계하여 낮은 변환손실 특성을 가지도록 하였으며, Ku대역 RF신호를 입력받아 L밴드 IF신호를 생성하도록 하였다. 제작된 믹서에 대해서 Ku밴드 5개 샘플주파수를 대상으로 실험한 결과, 최대 잡음지수(Noise Figure Max) 6.823dB, 이득(Gain) 4.159dB ~ 4.676dB, 통과대역(Band Pass) 61MHz의 값을 확인하였다.
고체 로켓 모타의 충전을 위한 추진제 믹서는 가장 중요한 장비 중 하나다. 추진제 믹서는 수출통제 품목으로 해외로부터 직접 구입하기 어렵다. 이에 당사에서는 해외 수출 통제(Export Licence) 품목으로 수입이 불가능한 어려운 상황에 대처하기 위해 국산화 개발을 진행하였다. 본 논문을 통해 일반적인 추진제용 믹서의 소개와 당사의 믹서 국산화 개발과정을 나타내었다. 또한, 블레이드-블레이드, 블레이드-보울 벽사이의 간극 측정 및 ADINA 해석을 통해 국산화 개발된 추진제 믹서의 설계를 검증하였으며 개발과제에 적용함을 기술하였다.
본 논문은 마이크로파 슈퍼헤테로다인 수신기에서 발생되는 이미지성분을 효과적으로 제거하기위한 Cascode형 FETs구조를 이용한 Ku-Band 이미지 제거용 자기발진믹서을 분석하였다. 자기발진믹서는 두개의 FET에 의해서 동작되며 상위 FET는 유전체공진기에 의해서 발진기로 동작하며, 아래쪽 FET는 믹서로 동작시켰다. 모의실험 결과 초기 게이트바이어스 전압은 $V_{ gsl}$=-0.4V와 $V_{g2}$=-0.4V와 $V_{g2}$V선정 하였으며, 10.75GHz의 발진기 출력은 2.249dBm, 위상잡음은 -137.9dBc/1000KHz, 이미지 제거특성은 약 -26dBc 값을 얻었다.얻었다.
본 논문에서는 게이트 길이 0.25um, 게이트 폭 150um(6 $\times$25)um 인 HEMT를 이용하여 11.7GHz~12.2GHz 대역 위성방송용 수신기의 기본회로를 설계하였다. 수신기는 저잡음증폭기, 믹서, 국부발진기, 중간주파수증폭기로 구성되어 있으며 LO 주파수는 10.75GHz 이고 IF 주파수는 0.95 ~1.45GHz 이다. 수신기의 설계목표는 전체이득 32dB 이상, 잡음지수 2.6dB 이하, 입출력 단의 반사손실은 각각 -10dB, -10dB 이하이며 저잡음증폭기, 믹서 및 중간주파수증폭기의 최소이득 및 최대잡음지수 14dB, 1dB, 믹서는 각각 0dB, 10dB, 중간주파수증폭기는 각각 18dB, 5dB 가 되게 설계하였다. 저잡음증폭기와 중간주파수증폭기는 2단으로 , 믹서는 이중 게이트구조로, 국부발진기는 반사형의 구조로 설계하였다.
본 논문에서는 화합물 반도체 및 CMOS 공정을 이용하여 수신기에서 주파수를 하향 변환하는 수신믹서를 설계하였다. 주파수 하향변환 믹서의 기본적인 이론과 구조에 대해 살펴보고 이중평형 믹서 구조와 광대역 특성을 얻기위해 매칭회로 대신 고주파와 국부발진기의 입력단에 싱글엔드 신호를 차분신호로 변환하기 위한 능동발룬을 결합한 믹서회로를 화합물과 CMOS 공정으로 설계한다. CMOS 공정을 이용하여 제작한 능동발룬 내장 믹서는 $2{\sim}6[GHz]$ 대역에서 1[dB] 이하의 이득오차와 $3[^{\circ}]$ 이하의 위상오차를 가지며 $2{\sim}6[GHz]$ 대역에서 변환이득 $-1{\sim}-6[dB]$ 특성을 얻었다. 모의실험 결과 화합물 공정을 이용하여 능동 발룬을 결합한 믹서는 $2{\sim}6[GHz]$ 주파수대역에서 $-2[dBm]$의 국부발진기 입력에 대해 약 7[dB]의 변환이득과 5.8[GHz]에서 -10[dBm]의 입력 P1[dB]특성을 나타낸다.
본 논문에서는 밀리미터파 센서 응용을 위한 낮은 변환손실 및 높은 LO-RF 격리도 특성의 W-band MMIC 믹서 모듈을 설계 및 제작하였다. MMIC 믹서는 $0.1{\mu}m$ MHEMT를 이용하여 설계 및 제작되었다. MMIC 믹서는 낮은 변환손실과 높은 LO-RF 격리도 특성을 얻기 위해 RF 입력단에 MHEMT를 추가하여 설계하였다. 제작된 MMIC 칩을 모듈화 하기 위해 CPW-도파관 변환기를 설계 및 제작하였으며, 최종적으로 MMIC 믹서 모듈을 개발하였다. MMIC 믹서 모듈의 측정결과 변환손실 특성은 94 GHz에서 MMIC 칩은 6.3 dB, MMIC 모듈은 9.5 dB의 양호한 특성을 나타내었다. MMIC 믹서 모듈의 LO-RF 격리도는 94 GHz에서 30.4 dB의 양호한 측정 결과를 얻었다. 본 논문에서 개발된 W-band MMIC 믹서모듈은 기존의 발표된 W-band(75-110 GHz) MMIC 믹서와 비교하여 우수한 성능을 나타내었다.
120∼180 GHz 대역의 고정 튜닝방식을 사용한 SIS(Superconductor-Insulator-Superconductor) 접합 믹서를 개발 하였다. 이 믹서는 노베야마 전파천문대에서 제작된 6개 직렬 연결 Nb/Al-A1$_2$O$_3$/Nb SIS 접합 소자를 사용하였으며 석영유리 기판에 제작된 이 SIS 칩은 전 주파수 대역에서 입력신호 결합을 향상시키기 위해 half-height 도파관의 중심에 놓여 있다. 본 논문에서 개발된 SIS 믹서는 기계적인 튜닝 장치를 사용하지 않으며 RF 신호와 LO 전력은 냉각된 십자형 방향성 결합기를 통해서 믹서에 공급된다. 또한 IF 신호 손실을 줄이기 위해 SIS 믹서의 IF 출력 임피던스를 IF 증폭단의 50 $\Omega$ 입력 임피던스에 정합 시켰다. SIS 수신기의 측정된 DSB 잡음온도는 120∼180 GHz 대역에서 32∼131 K이며 본 논문에서 개발된 SIS 믹서는 대덕전파천문대의 14 m 전파망원경에 설치되어 전파천문 관측에 사용되고 있다.
본 논문은 비선형 위상 특성을 갖고 있는 CRLH 전송선로를 이용하여 이중대역 평형 믹서를 제안한 것이다. 이 메타 재질 구조의 믹서는 이중대역에서 낮은 LO 누설 전력과 높은 RF-LO 고립도를 갖고 있어, LO와 RF 경로에 추가적인 여파기가 필요하지 않는다. 이 평형 믹서는 이중대역에서 동작하는 발룬과 윌킨슨 분배기를 이용하여 구현하였으며, 이중대역 특성은 CRLH 전송선로의 비선형 위상 특성을 이용하였다. 제안한 메타 재질을 이용한 평형 믹서는 실험을 결과를 통해서 증명하였으며, 870 MHz와 1660 MHz의 주파수에서 동작하도록 제작하여, 870 MHz에서 15.2 dB, 1660 MHz에서 21.2 dB의 변환 손실을 얻었다.
본 논문에서는 cascode 하모닉 발생기를 이용하여 고변환이득 특성의 밀리미터파 subharmonic 믹서를 설계 및 제작하였다. 밀리미터파 subharmonic 믹서는 0.1 ㎛ GaAs PHEMT와 CPW 라이브러리를 이용하여 설계되었다. 설계된 cascode 하모닉 발생기의 출력 특성 측정결과, 14.5 GHz의 신호를 10 dBm 전력으로 인가하였을때, 1차, 2차 및 4차 하모닉 성분은 각각 -21.62 dBm, -32.65 dBm 및 -13.45 dBm의 결과를 얻어 가장 큰 4차 하모닉 성분을 얻었으며, 제작된 밀리미터파 subharmonic 믹서의 측정결과 14.5 GHz LO 신호를 13 dBm의 크기로 입력하였을 때 3.4 dB의 높은 변환이득 특성을 얻었다. 또한 -53.6 dB의 LO-to-IF, -46.2 dB의 우수한 LO-to-RF 격리 특성을 나타내었다. 제작된 밀리미터파 subharmonic 믹서는 기존에 발표된 밀리미터파 대역의 subharmonic 믹서에 비해 가장 높은 변환이득 특성을 나타내었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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