Ⅳ. Mixer 이론
4.2 Downconverter의 원리
Downconverter는 두 가지 신호 즉 RF와 LO 신호를 비선형 소자에 인가하여 비선 형 소자가 가지는 곱셈 특성을 이용하여 두 신호의 차 성분인 IF 신호를 발생하는 장 치이다. 입력 측의 대역통과 여과기(BPF)는 입력 RF신호 이외의 다른 주파수 성분을 걸러내기 위한 것이고, 출력 측의 저대역 통과 여과기(LPF)는 IF신호 이외의 다른 주 파수 성분을 걸러내기 위한 것이다. 간단한 downconverter의 동작원리를 그림 4-2에 나타내었다.
그림 [4-2]. Downconverter의 동작원리
Figure [4-2]. Operation theory of downconverter
위 그림의 동작을 수식으로 표현하면,
ω ω
ω ω
ω ω ω ω
(4-1)
위 식에 나타난 것처럼 ω ω 성분을 필터로써 선택하면 하향변환기(RF down converter)가 된다.
Ⅴ. InGaP/GaAs HBT를 이용한 Ku-band용 고집적 downconverter의 설계
본 논문에서는 IF 출력 단에서의 LO 누설신호를 제거하고 전력 증폭기와의 one chip을 실현하기 위하여 InGaP/GaAs HBT를 이용한 Ku-band용 고집적 down converter를 설계하도록 하겠다. 시뮬레이션은 ADS(Advanced Design System)을 이 용하였으며, 사용된 기판은 12.85의 유전율과 95 μ 의 두께를 가지는 GaAs, 6.8의 유 전율과 0.1 μ 의 두께를 가지는 SiN을 사용하였으며, Mixer와 Power AMP에 사용되 는 능동소자는 나리지*온에서 제공하는 InGaP/GaAs HBT (HL_F2×2×20)를 사용하 였다. 그림 5-1은 RF downconverte MMIC에 대한 블록 다이어그램과 회로도를 나타 낸 그림이다. 그림에서 보는 바와 같이 downconverter MMIC는 믹서, LO 누설신호 제거 필터, IF 전력 증폭기를 포함하고 있다. RF와 LO 신호를 혼합하기 위하여 믹서가 사용되었고, IF 단에서의 LO 누설신호를 제거하기 위하여 기존의 필터 대신 spiral inductor를 사용하였으며, IF 신호를 증폭하기 위하여 IF 전력 증폭기가 결합되어 있다 [13-14].
(a) Downconverter MMIC에 대한 블록 다이어그램
(b) Downconverter MMIC에 대한 회로도
그림 [5-1]. Downconverter MMIC 블록 다이어그램 및 회로도
Figure [5-1]. Block diagram and circuit diagram for downconverter MMIC
5.1 InGaP/GaAs HBT downconverter mixer 설계
그림 5-2는 InGaP/GaAs HBT downconverter mixer의 회로도 및 시뮬레이션 그래 프이다. 시뮬레이션은 ADS(Advanced Design System)를 이용하여 수행하였다. 그림 에서 보는 바와 같이 입력 측 반사계수와 출력 측 반사계수가 거의 스미스 차트 중심 에 있는 것으로 봐서 입출력 정합이 잘 되어 있음을 알 수가 있고, IF 출력 단에 LO 누설신호를 제거하기 위해 6턴 spiral inductor를 연결하였고, LO 누설신호의 2차 하 모닉을 제거하기 위한 5턴 spiral inductor는 IF 단 정합소자로서 연결되어 있다. 나리 지*온 공정 조건으로 정합소자는 spiral inductor와 MIM capacitor만을 사용하였다.
(a) InGaP/GaAs HBT downconverter mixer의 회로도
Freq (GHz)
S11 (dB)
11.5 GHz일 때 입력 임피던스와 정합
Freq (GHz)
S11 (dB)
11.5 GHz일 때 입력 임피던스와 정합
Freq (GHz)
S22 (dB) 1 GHz일 때
출력 임피던스와 정합
Freq (GHz)
S22 (dB) 1 GHz일 때
출력 임피던스와 정합
(b) InGaP/GaAs HBT downconverter mixer의 시뮬레이션 그래프
그림 [5-2]. InGaP/GaAs HBT downconverter mixer 회로도 및 시뮬레이션 그래프 Figure [5-2]. Circuit diagram and simulation result for InGaP/GaAs HBT
downconverter mixer
그림 5-3은 spiral inductor 와 LO 누설신호와의 관계를 비교한 시뮬레이션 그래프 이다. 그림을 보면 알 수 있듯이, LO 입력전압이 4dbm이 인가될 때 IF 출력 단에 spiral inductor를 연결하지 않았을 때는 LO 누설신호를 제거 특성이 약 -17dBc정도 였고, IF 출력 단에 spiral inductor를 연결하였을 경우에는 약 -46dBm 정도 LO 누설 신호를 제거 특성이 약 -49dBc정도였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 IF 출력 단에 spiral inductor를 연결할 경우, IF 출력 단에서의 LO 누설신호가 효과적으로 제거됨을 확인할 수가 있다.
(a) spiral inductor를 연결하지 않았을 때 (b) spiral inductor를 연결하였을 때 그림 [5-3]. Downconverter MMIC의 LO 누설신호 측정치
Figure [5-4]. Measured LO leakage of downconvertor MMIC
그림 5-3은 실제 제작한 InGaP/GaAs HBT downconverter mixer의 사진이다.
InGaP/GaAs HBT downconverter mixer의 전체 크기는 약 1×0.9 이다.
In put RF + LO
RF downconverter mixer DC전원
IF단 LO 누설신호 제거용 Spiral inductor
LO 누설신호 2차 하모닉 제거용 Spiral inductor
In put RF + LO
RF downconverter mixer DC전원
IF단 LO 누설신호 제거용 Spiral inductor
LO 누설신호 2차 하모닉 제거용 Spiral inductor
그림 [5-4]. InGaP/GaAs/ HBT downconverter mixer 사진(1×0.9 ) Figure [5-4]. A photograph of InGaP/GaAs/ HBT downconverter mixer
5.2 InGaP/GaAs HBT IF 전력 증폭기 설계
InGaP/GaAs HBT downconverter의 IF 출력 단에는 변환이득을 높이기 위하여 InGaP/GaAs HBT IF 전력 증폭기를 연결하였다. 그림 5-5는 InGaP/ GaAs HBT IF 전력 증폭기의 회로도와 시뮬레이션 그래프이다. 시뮬레이션은 ADS (Advanced Design System)를 이용하여 수행하였다. 그림을 보면 1단 IF AMP의 이득이 약 17dB이며, 입력 측 반사계수와 출력 측 반사계수가 스미스 챠트의 중심에서 다소 떨 어져 있는데, 이는 나리지*온 공정에서 제공한 spiral inductor와 MIM capacitor의 종류가 많이 않아서 원하는 정합소자의 정확한 값을 얻지 못한 결과로 예상하고 있다.
설계한 IF 전력 증폭기가 1GHz 동작용이기 때문에 마이크로스트립 선로가 대신 정합 소자로 spiral inductor와 MIM capacitor를 사용하였다.
(a) InGaP/GaAs HBT IF 전력 증폭기의 회로도
(b) InGaP/GaAs HBT IF 전력 증폭기의 시뮬레이션 그래프 그림 [5-5]. InGaP/GaAs HBT IF 전력 증폭기의 회로도 Figure [5-5]. Circuit diagram for InGaP/GaAs HBT IF AMP
그림 5-6은 실제 제작한 InGaP/GaAs HBT IF 전력 증폭기의 사진이다. InGaP/
GaAs HBT IF 전력 증폭기의 전체 크기는 약 1.6×0.9 이다.
Out put IF IF AMP DC전원
Out put IF IF AMP DC전원
그림 [5-6]. InGaP/GaAs HBT IF 전력 증폭기의 사진(1.6×0.9 ) Figure [5-6]. A photograph of InGaP/GaAs/ HBT IF AMP