KR100587901B1 - 세라믹 공진기를 이용한 nrd 가이드 건 발진기 및 주파수 안정화 방법 - Google Patents

세라믹 공진기를 이용한 nrd 가이드 건 발진기 및 주파수 안정화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세라믹 공진기를 이용한 NRD 가이드 건 발진기 및 주파수 안정화방법에 대한 것이다. NRD 가이드 건 발진기의 배후에 자주 발진 주파수에서의 (λ/x)를 가진 후방 테프론 선로를 접속하고 그 후방에 원통모양의 반사형 세라믹 공진기를 공극을 두고 위치함으로 주파수 라킹(locking) 삽입범위는 사용주파수 60GHz에서 ±1GHz까지 되고, 원통모양의 반사형 세라믹 공진기는 스트립 공진기 후방에 위치시킨 후방 테프론 선로와의 공극 간격에 의해 라킹 작용이 일어남으로 조정 포인트가 공극 간격에만 의존하여 조정작업이 단순하고, 스트립 공진기 후면에 후방 테프론 선로가 위치 고정되어 있어 외부 충격이나 진동의 의한 스트립 공진기의 이탈을 방지하였으며, 밀리미터파 대역에서 발진 주파수 안정화 장치 및 잡음 특성을 개선한 NRD 가이드 건 발진기를 제작하였다.
NRD 가이드 선로, 주파수 안정화, 건 발진기, 반사형 세라믹 공진기

Description

세라믹 공진기를 이용한 NRD 가이드 건 발진기 및 주파수 안정화 방법{NRD Guide Gunn Oscillator and Frequency Locking Method using Ceramic Resonator}
도 1: 종래의 NRD 가이드 건 발진기 장치의 사시도이다.
도 2: 본 발명에 의한 원통모양의 반사형 세라믹 공진기를 이용한 NRD 가이드 건 발진기의 전체 사시도이다.
도 3: 원통모양의 반사형 세라믹 공진기를 이용한 NRD 가이드 건 발진기의 평면도이다.
도 4: 원통모양의 반사형 세라믹 공진기의 세부적인 구조를 나타낸 사시도이다.
도 5: LSE01 모드스프레서의 사시도이다.
도 6: 발진 주파수의 공진을 위해 사용된 스트립 공진기의 구조도이다.
도 7: λ/4 마이크로스트립 바이어스 초크의 구조도이다.
도 8: λ/4 후방 테프론 선로와 원통 모양의 반사형 세라믹 공진기간의 공극간격에 따른 발진 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9: λ/4 후방 테프론 선로와 원통형 세라믹 공진기간의 공극 간격에 따른 발진기의 위상잡음을 나타낸 그래프이다.
도 10: 원통모양의 반사형 세라믹 공진기의 공진 주파수에 대한 발진 주파수의 측정값을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 상부 도체판
2: 하부 도체판
3a: 안테나, 3b: NRD 가이드 선로
4: LSE01 모드스프레서
5: 스트립 공진기
6: 후방 테프론 선로
7: 건 다이오드 마운트 발진소자
8a: 기존 세라믹 공진기, 8b: 원통모양의 반사형 세라믹 공진기
9: 건 다이오드
10: 유전체 기판
11: 테프론 디스크
12: 세라믹 디스크
13: 테프론 튜브
14: 테프론 판
15: λ/4 동판 초크(choke)
16: 스트립 동판 패턴
17: λ/4 마이크로스트립 바이어스초크(bias choke)
18: 공극 간격(air gap)
19: 후방 테프론 선로 길이(λ/x)
밀리미터파는 파장이 짧아서 각종 소자를 소형화, 경량화 시킬 수 있고 넓은 대역폭을 이용하여 많은 양의 정보를 수백 Mbps의 빠른 속도로 전송할 수 있으며, 직진성이 좋아서 목표물 추적 및 탐지 시에 높은 해상도와 정밀성을 얻을 수 있다.
지금까지는 마이크로스트립 라인(microstrip line), 유전체 도파관 등이 밀리미터파 집적회로에 응용되고 있다. 그러나 마이크로스트립 라인은 밀리미터파 영역에서 사용될 때 전도손실이 증가 한다는 단점이 있고, 또한 유전체 도파관는 직선 영역에서의 전도손실은 상당히 작은 값을 가지지만 유전체 도파로의 굽어진 부분이나 불연속적인 부분에서 옆의 라인과의 크로스토크(crosstalk)나 부가적인 손실이 발생한다.
이에 비해 비방사성 유전체 도파관(Nonradiative Dielectric Waveguide)은 비방사성이므로 마이크로스트립 라인에 비하여 전송손실이 낮고, 유전체 도파관에 비하여 굽어진 부분에서의 전송손실이 낮으며, 전송선로 및 회로 구성이 용이하여 밀리미터파 대역에서의 응용시스템에 적용 가능한 기술이다.
일반적으로 밀리미터파 대역에서 사용하는 송수신 시스템은 NRD 가이드 선로 를 이용하여 실용화 될 수 있으며, 이때 발진 회로부가 반드시 필요하게 된다. 이러한 발진기는 안정화 된 주파수를 가지며, 잡음 특성이 개선된 발진 주파수를 출력해야 한다.
제1도는 종래에 사용되고 있는 건 다이오드(Gunn Diode) 마운트(mount)에 의한 NRD 가이드 발진기를 나타내고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 기술 구성은 NRD 가이드 건 발진기의 발진 주파수 안정화를 위해 높은 Q 값을 가지는 세라믹 공진기(8a)를 유전체 선로에 측결합 시킨, 즉 대역 저지형 구조가 많이 이용되고 있지만 다음과 같은 문제점들을 가지고 있다.
건 다이오드에서 발진된 주파수가 스트립 공진기에 의해 공진되고, 이때의 발진 주파수가 세라믹 공진기의 공진 주파수 대로 라킹(locking)되는 삽입범위는 사용 주파수가 60GHz일 경우 최소 ±100MHz 정도 이내로 근접되어야 하기 때문에 이 범위내로 근접시키기 위한기술적인 구성이 매우 어려운 문제가 있다.
또한 주파수 안정화를 위해서는 NRD 가이드 선로(5)와 세라믹 공진기(8a)간의 측면 간격(g) 조정과 세라믹 공진기의 위치(z) 조정을 동시에 마이크로미터 단위로 복잡, 미세하게 조절해야 주파수 라킹이 되는 어려움이 있으므로 발진기 제작시 회로 구성이 용이하지 않다.
또한 NRD 가이드 선로(5) 후방에 부착된 스트립 공진기(6)는 그 부착형태가 견고하지 못하기 때문에 외부 진동과 충격에 의한 내구성이 적어 쉽게 이탈되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 NRD 가이드 건 발진기의 배후에 자주 발진 주파수에서의 일정한 길이(λ/x)를 가진 후방 테프론 선로를 접속하고 그 후방에 원통모양의 반사형 세라믹 공진기를 일정한 공극을 두고 배치한다.
상기와 같이 구성함에 있어서,
건 다이오드에서 발진된 주파수가 스트립 공진기에 의해 공진되고, 이때의 발진 주파수가 세라믹 공진기의 공진 주파수 대로 라킹(locking)되는 삽입범위는 사용 주파수가 60GHz일 경우 최소 ±1GHz 정도의 넓은 삽입범위를 가질 수 있어 기술구성이 용이하도록 한다.
또한 세라믹 공진기는 스트립 공진기 후방에 위치시키는 후방 테프론 선로와의 공극 간격에 의해 라킹 작용이 일어남으로 조정 포인트가 공극 간격에만 의존하여 조정작업을 단순화 하며, 조정간격의 범위가 넓도록 하여 주파수 라킹이 용이하도록 한다.
또한 NRD 가이드 선로와 λ/x 후방 테프론 선로 사이에 장착된 스트립공진기는 외부 충격이나 진동에 의한 스트립공진기의 이탈을 방지한다.
또한 원통모양의 반사형 세라믹 공진기는 일반적인 구조가 아닌 밀리미터파 대역에서 사용 가능하도록 직경과 크기를 개선하여 구성하고 이에 따라 발진 주파수 안정화 장치를 얻고자 하는 것을 목적으로 한다.
도 1는 종래의 NRD 가이드 건 발진기 장치를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 의한 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)를 이용한 NRD 가이드 건 발진기의 전체 사시도이다.
도 2에 있어서,
원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)를 이용한 NRD 가이드 건 발진기에 있어서,
건 다이오드 마운트 발진소자(7) 측면에 스트립공진기(5)를 결합하고, 스트립 공진기(5) 전방에는 모드스프레서(4) 및 NRD 가이드 선로(3b)가 결합되고, 스트립 공진기(5) 후방에는 λ/4 파장 후방 테프론 선로(6)가 결합되고, 일정한 길이(19)를 가진 후방 테프론 선로(6) 후방에 일정한 공극(18)을 두어 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)를 두어 밀리미터파 대역에서 사용가능한 발진 주파수 안정화 장치를 구성한다.
도 3은 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)를 이용한 NRD 가이드 건 발진기의 평면도를 나타낸도이다.
도 3에 있어서, 세라믹 공진기(8b)를 이용한 NRD 가이드 건 발진기의 동작원리를 설명하면 다음과 같다.
건 다이오드 마운트(7) 위에 장착된 건 다이오드(9)에 바이어스 전압을 인가하면 밀리미터파가 발진이 된다. 이때 발진된 밀리미터파는 스트립 공진기(5)의 일정한 길이(L)에 따라 발진 주파수가 공진되고, 공진된 주파수는 모드스프레서(4) 및 NRD 가이드 선로(3)를 통하여 전송된다.
이때 후방 테프론 선로(6)에 부착된 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)에 의해 누설되는 발진 출력의 일부를 건 다이오드 발진기(7)에서 귀환 주입하고 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)와 건 다이오드 발진기(7)의 공진 주파수가 같아지면서 안정된 발진 주파수를 얻게 된다.
이때 후방 테프론 선로(6)의 길이(19)와 일정한 공극(18)으로 위치한 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)간의 공극(18) 간격을 밀리미터 단위로 조절하면 밀리미터파 대역에서 사용 가능한 발진 특성을 얻을 수 있게 된다.
도 4는 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)의 세부적인 구조를 나타낸 사시도이다. 동일직경의 테프론 디스크(11), 세라믹 디스크(12) 및 테프론 튜브(13)를 이용하여 구성한 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)이다. 세라믹 디스크(12)는 비유전율이 24인 재료를 이용하였고, 공진모드에 있어서, 공진기 직경(φ)이 2.5mm로 TE01δ모드로 구현하였다.
도 5는 LSE01 모드스프레서의 사시도이다. 이것은 두께 1.25mm의 저손실 동판을 삽입한 테프론판(14)에 λ/4 동판 초크(15)를 에칭하고, 이것을 한 쪽으로 동일한 두게를 가진 테프론 판(14)과 서로 맞춰 삽입하였다. 따라서 LSM01에는 영향을 주지 않으면서, LSE01 모드만을 차단할 수 있게 된다. 그 때 모드스프레서를 중심으로 상하 도체판(1, 2)과의 사이에 TEM모드가 전항하는 일이 있지만, 이것은 λ/4 초크 패턴으로 제거할 수 있다.
도 6은 발진 주파수의 공진을 위해 사용된 스트립 공진기(5)의 구조를 나타 낸 도이다. 스트립 동판 패턴(16)은 비유전율이 2.6인 유전체 기판(5) 위에 에칭으로 형성하였다. 이때 공진 주파수는 금속판의 길이(L)에 따라 달라지며, 여기서는 60GHz 밀리미터파 공진을 위해 공진기의 길이(L)를 조절하였다.
이때 금속판의 길이(L)는 사용주파수(60GHz)의 λ/2 정도에서 공진 특성을 얻을 수 있다. 또한 금속판의 길이(L)를 사용주파수의 λ/2 보다 길게되면 공진 주파수가 낮아지고, 짧게되면 공진 주파수가 높게 공진 된다.
도 7은 건 다이오드에서 바이어스 전압을 인가하기 위한 λ/4 마이크로스트립 바이어스 초크(17)의 구조를 나타낸 도이다. 이것은 비유전율 2.2, 두께 0.13mm인 유전체 기판(10)위에 가열 에칭에 의해 형성하였으며, 이 패턴은(17) 건 다이오드 마운트에서 마이크로스트립 λ/4 스텝 초크(step choke)가 되어, 밀리미터파의 누설을 막아 준다.
도 8은 λ/4 파장 후방 테프론 선로(6)와 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)간의 공극간격(18)에 따른 발진 주파수 특성을 나타낸 그래프이다. 자주 발진 주파수 및 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)의 공진 주파수는 각각 60.73GHz, 60.82GHz로 건 다이오드 발진기(7)가 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)에 넣어져 있음을 알 수 있다.
또한 도 8에 있어서, 공극간격(18) 변화분 0.6mm에서 2.0mm까지 발진 주파수 안정화 범위가 밀리미터 단위의 공극간격으로 넓게 분포함을 나타내고 있고, 발진 출력은 약 11.5dBm으로 안정된 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.
도 9는 λ/4 후방 테프론 선로(6)와 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)간 의 공극 간격에 따른 발진기의 위상잡음을 나타낸 그래프이다. 공극간격 변화분 1.2mm에서 2.0mm까지에 대해 1MHz 오프셋에서 -118dBc/Hz 정도의 양호한 값을 가지고 있음을 알 수 있다.
도 10은 스트립 공진기(5)의 금속판의 길이(L)에 따라 공진하는 건 다이오드 발진 주파수에 대해 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)의 공진 주파수에 대한 라킹(locking) 특성을 나타낸 그래프이다. λ/4 후방 테프론 선로(6)와 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)간의 공극 간격을 1.6mm로 고정하였다. 이때 스트립 공진기(5)의 금속판의 길이가 1.72mm에서 1.76mm까지의 범위에서 건 다이오드 발진 주파수가 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)의 안정화된 공진주파수대에 라킹되는 삽입범위는 약 ±1GHz 정도로 매우 넓은 삽입범위를 가지고 있음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 NRD 가이드 건 발진기의 배후에 자주 발진 주파수에서의 λ/4 후방 테프론 선로(6)를 접속하고 그 후방에 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)를 공극을 두고 구성하여 60GHz대역에서 사용가능한 NRD 가이드 건 발진기를 제작하였으며, 다음과 같은 발명의 효과가 있다.
본 발명에 있어서,
건 다이오드(9)에서 발진된 주파수가 스트립 공진기(5)에 의해 공진되고, 이때의 공진주파수는 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8)의 공진주파수 대로 라킹(locking)되는데, 이때의 라킹 삽입범위는 사용주파수 60GHz에서 ±1GHz이다. 이것은 라킹되기전의 발진 주파수가 라킹하고자하는 주파수대로 넘어오는 데 ±1GHz이내로 되어 주파수 라킹이 용이해진다.
또한 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8)는 스트립 공진기(5) 후방에 위치시키는 후방 테프론 선로(6)와의 공극 간격(18)에 의해 라킹 작용이 일어남으로 조정 포인트가 공극 간격(18)에만 의존하여 조정작업이 단순하며, 조정간격의 범위가 넓어 회로구성이 용이해진다.
또한 스트립 공진기(5) 후면에 후방 테프론 선로(6)가 위치 고정되어 있기 때문에 외부 충격이나 진동의 의한 스트립 공진기(5)의 이탈을 근본적으로 차단하였다.

Claims (4)

  1. 세라믹 공진기를 이용한 NRD 가이드 건 발진기에 있어서,
    상기 건 다이오드 마운트 발진소자(7) 측면에는 스트립공진기(5)를 결합하고;
    상기 스트립 공진기(5) 전방에는 모드스프레서(4) 및 NRD 가이드 선로(3b)가 결합되고;
    상기 스트립 공진기(5) 후방에는 λ/x(19)의 후방 테프론 선로(6)가 결합되고;
    상기 λ/x(19)의 테프론 선로(6) 후방에 원통모양의 반사형 세라믹공진기(8b)를 공극간격(18) 0.5mm에서 2.0mm까지 위치시켜 밀리미터파대역의 발진주파수 안정화 장치를 구성하는 것을 특징으로 하는 세라믹 공진기를 이용한 NRD 가이드 건 발진기 및 주파수 안정화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 NRD 가이드 건 발진기는 건 다이오드(9)에서 발진된 주파수가 스트립 공진기(5)에 의해 공진되고;
    상기 공진 주파수는 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8)의 공진주파수 대로 라킹(locking)되는 삽입범위가 세라믹 공진주파수를 기준으로 ±1GHz까지 되도록 하고;
    상기 주파수 라킹(locking)되는 삽입범위는 λ/x(19)의 테프론 선로(6) 후방에 공극 간격(18)을 두어 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)를 위치하고;
    상기 공극 간격(18)에 따라 주파수 라킹이 되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 세라믹 공진기를 이용한 NRD 가이드 건 발진기 및 주파수 안정화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8b)는 동일직경의 테프론 디스크(11), 세라믹 디스크(12) 및 테프론 튜브(13)를 이용하여 원통모양의 세라믹 공진기(8)를 구성하고;
    상기 원통모양의 반사형 세라믹 공진기(8)는 λ/x 테프론 선로(6)간의 공극(18) 간격만을 조절하는 방법을 특징으로 하는 세라믹 공진기를 이용한 NRD 가이드 건 발진기 및 주파수 안정화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스트립공진기(5)는 외부 충격이나 진동에 의한 이탈을 방지 및 원통형세라믹공진기와의 공극간격(18)을 결정하기 위해 상기 스트립공진기(5) 후면에 λ/4 파장길이의 테프론 선로(6)가 부착된 것을 특징으로 하는 세라믹 공진기를 이용한 NRD 가이드 건 발진기 및 주파수 안정화 방법.
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