Oscillator : 발진기 성능 향상법 (N-push , Frequency multiplier , power combining , beamforming

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요약
응용

 

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본 포스팅은 발진기의 성능을 향상 시키는 법에 대해 다룹니다. 실제 발진기가 아니기 때문에 제목을 뭐라할지 모르다가 그냥 발진기라고 합니다, 기본적인 발진기에 대해 다루고 싶으시다면

고체 초고주파 신호 발생기 , 오실레이터 (GHz THz Signal Generation , oscillator)

와

진공관 초고주파 신호 발생기 , 오실레이터 (GHz THz Signal Generation , oscillator)

포스팅에 정리되어 있습니다.

 

발진기 Oscillator의 성능을 향상시키는 방법은 3가지가 있습니다.

동작 주파수를 향상시키는 방법, Ouput power를 높이는 방법, 방향을 제어하는 방법입니다.

이들을 차근차근 각각 다뤄보겠습니다.

 

주파수 향상

먼저 동작 주파수를 향상시키는 방법입니다.

동작 주파수를 향상시키는 방법은 N-push oscillator와 Frequency Multipler가 있습니다.

 

N-push oscillator는 fundamental한 소자가 어쩔 수 없는 주파수에서 harmonic을 이용해 두 세배의 발진을 얻는 것입니다.

이때 중요한 parameter가 있는데 이는 

$$f_{max}$$입니다. 즉 power gain이 줄어들다가 1이 되는 지점의 주파수 입니다. 즉 이 이상의 주파수는 못 발진한다고 보시면 됩니다, 

harmonics의 2nd를 얻고싶다면 push-push oscillator가 되고, 3rd를 얻고 싶다면 triple-push를 하시면 됩니다. 즉 주파수의 배수만큼 push의 갯수를 연결하면 됩니다. push-push를 본다면 두개의 oscillator core를 연결해 놓고 이 둘의 phase 차이가 180도가 나게 합니다. 이렇게 하면 fundamental은 상쇄되지만, 2nd는 add up 됩니다. 이때 연결하는건 differential pair로 해야하는데 바로 뒤에 자세히 보여드리겠습니다. 

이때 Triple과 같은 경우 symetric하게 하는 것이 엄청나게 중요하며, N-push의 N이 늘어날때마다 power가 팍 떨어집니다

 

다음으로 Frequency multiplier를 보겠습니다.

이 multiplier는 5가지 조건이 만족되어야 하는데, 

높은 output power를 갖고 큰 convsersion gain을 가지며 (같은 input에 대해 output이 크다. 사실 현실에서는 loss만 없어도 다행입니다. 즉 small convsersion loss라고 보시면 됩니다.) 원하는 하모닉 출력외에 다른건 다 상쇄되어야하는 sufficient suppression이 만족되어야 하며, DC power dissipation이 작고, 마지막으로 목적에 따라 다르지만 넓은 bandwidth를 가져야합니다.

이를 위해 BJT, FET Schottky barrier Diode transistor와 같은 input과 output이 non-linear한 active 소자를 사용하여 linear의 y(t)=a x(t)가 아닌 $$y(t)=x(t)+x^2(t)+x^3(t)+x^4(t)\cdots$$

에서 높은 harmonics의 주파수를 끄집어 냅니다. 이제 이들을 구성해야하는데 differential과 single-ended amplifier로 구성할 수 있습니다.

또한 Frequency multiplier도 자세하게 다루진 않지만, wideband에 적합한 traveling wave frequency multiplier와, high output power와 harmonic suppression에 좋은 injection locked frequency multiplier가 있습니다.

사실 injection locked는 회로 자체가 oscillator인데 어떤 주파수에서만 DC condition이 맞춰져 딱 osillation하게 trigger합니다. 

또한 중간중간 신호가 약해지므로 amplifier를 넣어줘야하는데 이를 Amplifier multiplier chain(AWC)라 합니다.

 

증폭기

다음은 증폭기에 대해 보겠습니다.

증폭기는 active 소자에서 gain이 높고 passive 소자에서 loss가 적으며, 정확도가 떨어지는 성능이 있어야 합니다. 이를위해 어려 회사에서 여러 방법으로 증폭기를 설계하였는데 대표적으로 Teledyne사의 3-5 HBT이고 이는 1.1THz까지 버팁니다. 이외 3-5족 HEMT의 NGC사도 1.2THz도 됩니다. Si에서도 Si CMOS로 IBM에서 435GHz를 달성하였고, IHP에서 SiGe HBT로 720GHz도 달성하였습니다. 이런 공정과 같은 이슈는 3-5족과 Si 소자 공정에서 확인 부탁드립니다.

Gain을 크게하는 방법은 unilateralization이라 하여 output에서 input으로 가는 요소를 0으로 만드는 것입니다. 즉 S12=0을 가정할때 얻는 gain을 U (Unilateral power gain)이라 합니다. 사실 gain의 비교표 중에는 입출력 매칭을 정말 잘했을때 나타나는 gain인 Maximum achievable gain 즉 MAG가 있는데 U는 일반적으로 이들보다 큰 값입니다.

U는 ampilfier의 Cgd와 Cbc를 Cancel out시키면 됩니다. 이를 위해 C위에 인덕터를 달거나 여러가지 회로적인 방법을 도입합니다.

사실 U보다 더 높게할 수 있는데 이는 linear lossless passive network에 amp를 구성하면 4배정도 높이게 됩니다.

 

다음은 Power Combing Technique를 보겠습니다.

이는 Amplifier가 없을때 여러 oscillator를 combine하는 것으로 쉽게 말해 input power를 dividing시켜 나누어 각각 amplifier를 시킨뒤 다시모다 combine시키는 방법입니다. 이렇게 한다면 saturation output power보다 높일수 있으며 한개의 발진기 보다 더큰 파워를 얻을 수 있습니다. 

이렇게 하는 combiner에는 2가지 방법이 있는데, 2차원 측 전자소자 관점에서의 planar type이고 3차원 관점의 spatial type입니다.

planar를 살펴본다면

특히 마지막 DAR과 같은 경우 Second harmonics는 in phase로 방사하고 fundamental은 out of phase로 방사하여 나타납니다.

 

이제 Spatial power combine을 간략하게 볼건데 이것도 정말 간략하게보겠습니다. 이는 directivity도 높이며 높은 효율을 자랑합니다.

 

마지막으로 Beamforming에 대해 보겠습니다.
baemforming은 통신하하는 경우 방사하는 파의 방향을 바꿀때 기계적으로 바꾸지 않고 전기적으로 움직여서 더 빠르고 효율적으로 하기위해 사용합니다.

즉 통신신호가 약한걸 방향을 돌려 받을 수 있습니다.

추가적으로 Phase shifter의 경우 Reflection type pahse shifter 즉 RTPS라는 것도 존재하는데 이는 varactor의 값을 바꿔서 phase를 shift합니다.