Transcript RF 회로설계

RF Circuit Fundamentals
Contents
 Passive Components
- Resonator
- Divider
- Coupler
 Active Components
- Low Noise Amplifier
- Power Amplifier
- Mixer
- Oscillator
 Conclusion
 Passive Components
- Resonator
- Divider
- Coupler
Microwave Resonator Basic Theory
Contents
 Fundamental
 Transmission Line Resonator
 Dielectric Resonator
 Ring Resonator
 Conclusion
Fundamental (1)
 직렬, 병렬 공진 기에 대한 이해
 Series Resonator
Series Resonator Circuit
Frequency Response
 설계 주파수에 Band pass Type
Fundamental (2)
 Parallel Resonator
Parallel Resonator Circuit
Frequency Response
 설계 주파수에 Band Rejection Type
Transmission Line Resonator (1)
* Short-Circuited Lamda/2 Line
* Short-Circuited Lamda/4 Line
* Open-Circuited Lamda/2 Line
1] LAMDA/2의 선로 길이와 종단이 Short로 구성된 공진 기 설계
 설계 주파수에 대한 Band Pass Type
Transmission Line Resonator (2)
2] LAMDA/2의 선로 길이와 종단이 Open으로 구성된 공진기 설계
 설계 주파수에 대한 Band Rejection Type
Dielectric Resonator
 Dielectric Resonator
 MIC 불가능
 Hair Pin Resonator
 MIC 가능
Ring Resonator (1)
Ring의 반지름
Mode 수
Ring Resonator (2)
 Coupling에 의한 변화
Coupling Gap이 작아질 수록
삽입 손실은 적어지고, 반대로
선택도 는 악화된다.
Microwave Divider/Coupler Basic Theory
Contents
 Divider
 Coupled Line Coupler
 Branch Line Coupler
Divider (1)
 Resistive Divider
 모든 Port에 대해 50 Ohm 매칭 실현
 Isolation 능력 부재
 Isolation ?
Divider (2)
 Wilkinson Divider
 모든 Port에 대해 50 Ohm 매칭 실현
 Isolation 능력을 가지고 있음
 Even and Odd Mode를 이용한 해석이 가능함
Coupled Line Coupler
S : Coupling Gap
Branch Line Coupler
BALUN (1)
 BALUN 정의
-
BALUN (Balanced to Unbalanced) 은 Balanced transmission line 과
Unbalance transmission line 회로간을 연결하는 Transformer
- Balanced Transmission Line
 BALUN 응용
Mixer, push pull amplifier, multiplier
- Unbalanced Transmission Line
BALUN (2)
 BALUN Type
- 전송 선로의 길이를 이용한 BALUN
- Transformer
Active Components
- Low Noise Amplifier
- Power Amplifier
- Mixer
- Oscillator
Microwave Mixer Basic Theory
Contents
 Introduction
 Design Basic
 Specification
 Diode Mixer
 FET Mixer
 Balanced Mixer
 Conclusion
Introduction
 Three Ports Device
RF (Radio Frequency)
IF (Intermediate Frequency)
LO (Local Oscillator Frequency)
 Mixer is multiplier
Mixer Basic (1)
 To understand the mixer
 Using Power Expansion Series
Mixer Basic (2)
 Analyzing Power Expansion Series
Specification (1)
 Image frequency
 Conversion Gain (loss)
 Port Return loss
 Gain Compression
 3th-order IM Distortion
Specification (2)
 Port Isolation
- LO to RF Port Isolation
- LO to IF Port Isolation
- RF to IF Port Isolation
- Inter-port Isolation (Dissipate Ant)
- Inter Mixer Isolation
 Noise Figure
Diode Mixer (1)
Specification 결정
Diode 선택
 GaAs : - High Cutoff Frequency
- High Breakdown Voltage
- Low Temperature Noise
 Silicon : Low cost
Matching 회로 설계
Diode Mixer (2)
DC Bias와 Image Filter를 삽입한다.
Diode Mixer Testing (Using Spectrum Analyzer)
 Summary
FET Mixer (1)
Advantage
 Conversion Gain
 Consideration of Noise Figure
 Lower LO Power
 Configuration
FET Mixer (2)
Nonlinear Generation
Balanced Mixer
 Coupling Structure
Balanced Mixer
 Single Balanced Mixer
 Double Balanced Mixer
 Double-Double Balanced Mixer
 Sub-Harmonic Pumped Mixer
 Image Rejection Mixer
Single Balanced Mixer
 Advantage
1. Port Isolation
LO 신호는 RF 와 IF Port에
서 완전히 제거되어진다.
Single Balanced Mixer
 Advantage (Cont….)
2. Spurious Performance
3. Lower LO Power
 Disadvantage
1. High conversion loss
2. Perfect Balance 필요
Single Balanced Mixer
 Configuration
 상대적으로 매우 큰 LO 신호에 대한 Isolation이 가능하다.
Double Balanced Mixer
 Configuration
IF 신호
 Advantages
1. Excellent all Ports Isolation
2. Application of broadband RF system
3. Very low LO noise
 NO RF Signal
 NO LO Signal
Double-Double Balanced Mixer
 Configuration
 Advantages
1. Good Linearity
 Disadvantages
1. Complex
2. High Cost
3. Difficulty Design
Microwave Oscillator Basic Theory
Contents
 Introduction
 Specification
 Diode Oscillator
 FET Oscillator
 Dielectric Resonator Oscillator
 Conclusion
Introduction
 RF System에서 매우 중요한 부품
 Oscillator의 성능에 따라 전체 시스템의 Noise 특성이 결정되어 짐
Specification (1)
 Stability of the Center Frequency
 Oscillator’s Noise
- 출력되는 주파수와 위상의 변화에 의해 발생하는 잡음
Perfect Oscillator
Change in the oscillator’s phase and amplitude
over time
Specification (2)
 Oscillator’s Phase Noise
Noise Vector
- In-Phase Component (AM)
- Out of Phase Component (PM)
Diode Oscillator
 One Port Negative Resistance Oscillator
 Negative Resistor로 발생되는
에너지를 이용하여 발진 기 설계.
FET Oscillator (1)
 Configuration
 Negative Resistor로 발생시키기 위해
Termination 회로를 이용하여 FET를 불안정
영역에서 동작하도록 한다.
 발생된 에너지를 Load Network을 통해
출력한다.
FET Oscillator (2)
 Stability and Un-stability Region
 Stability circle를 이용하여 쉽게 Unstable
영역을 찾을 수 있음
Unstable 영역에 Load Network 구현
FET Oscillator (3)
 Procedure
DRO (1)
 Stabilized DRO
발진 주파수를 안정시키기 위해 출력 단에 DR를 위치시킨 것으로, 이 때의
유전체 공진 기는 대역 통과 필터로써 역할 한다.
 단점
Phase Noise가 나쁘고, Tunning 범위가 좁다.
DRO (2)
 Parallel Feedback DRO
FET의 Gate와 Source 또는, Drain 과 Gate 사이에 DR를 위치시킨 것으로, 이 때의
유전체 공진 기는 Feedback 요소로써 사용한다.
 단점
Tunning 범위가 좁고, 상대적으로 Output Power 가 작다.
DRO (3)
 Series Feedback DRO
FET의 입력 단에 유전체 공진기를 위치시킨 것으로 공진 주파수 근처에서 마이크로
스트립 전송 선로와 유전체 공진기는 강하게 결합되어, 이 때 전력이 FET 측으로
반사되어 FET는 불안정해지고 발진이 일어나게 된다.
Microwave Low Noise Amplifier Basic Theory
Contents
 Design Basic
 Gain Consideration
 Noise Consideration
 Broadband Design
 Conclusion
Design Basic (1)
 Selection of the Transistor
- Technical note
Design Basic (2)
 Selection of the Transistor (Cont…)
Noise Parameters
1) Minimum noise figure
2) Noise resistance
3) Optimum noise admittance
Design Basic (3)
 Stability 판단
Unconditionally Stable Condition
 Power Gain 과 Noise Figure 간의 Optimization
Design Basic (4)
 Summary
Gain Consideration (1)
 LNA Design Circuit
Input Reflection Coefficient
Output Reflection Coefficient
Gain Consideration (2)
Transducer Power Gain
Operating Power Gain
Available Power Gain
 Available Power Gain
 Operating Power Gain
Noise Consideration (1)
 Noise Power = Input Noise Power*Gain + Self Noise Power
Optimization
White Noise
Flicker Noise
Thermal Noise
Broadband Design
1) Compensated Matching Network
2) Negative Feedback Network
3) Balanced Type Network
 TIP
Broadband는 일반적으로 설계 주파수의
10 % 이상의 대역폭을 의미하는 경우가
많다.
Microwave Power Amplifier Basic Theory
Contents
 Fundamental
 Design Basic
 Nonlinear Effects
 Conclusion
Fundamental (1)
 FET 등가 회로 해석
Transconductance
Voltage Controlled Current Generate
 FET 등가 회로를 통해 FET의 비선형 특성을 이해함으로써,
Power Amplifier를 이해한다.
Fundamental (2)
 Transconductance 란?
 Gate 와 Drain Voltage에 의한 영향을 받는 함수
 특히 Gate Voltage에 의해 큰 영향을 받는 함수
 Transconductance 을 이해함으로써, Class A, B, C, AB 등의 의미를 알 수 있음
Fundamental (3)
 Transconductance Time Delay
 Gate-Source Capacitance
 Cgs
 Channel Resistance
 Rds
Fundamental (4)
 Class A
Fundamental (5)
 Class B
Fundamental (6)
 Class AB
Fundamental (7)
 Class C
Design Basic (1)
 FET의 Impedance ?
How to matching ?
Design Basic (2)
 Output matching Circuit 구성 방법 ?
 Load-Pull Method
1. Slide Tuner 또는 Stub Tuner를 이용하여 원하는 Spec을 얻기 위한
임피던스 값을 찾는다.
2. 얻어낸 임피던스 값을 PCB에 구현한 후, Input Matching 회로를 구현한다.
3. Optimization을 통해 모든 Tuning 작업을 완료한다.
Design Basic (3)
 Load Line Method
(RL)
 The Ratio of the peak voltage
to the peak current
Design Basic (4)
 Load Line Method
 Using Transformer
 Using Lumped Components
순수 Resistance 값을 가지고 있지 않기 때문에
위와 같은 방법으로는 충분하지 못하다. 그렇다면 실제 Load Line의 모습은 ?
Design Basic (5)
 Practice Load Line
Design Basic (6)
Load-Line의 Matching에 의해
PA의 성능이 민감하게 달라질
수 있다.
 Nonlinear 특성과 PAE에 크게
영향을 줄 수 있다.
Nonlinear Effect (1)
 Gain Compression Point
 Third Order Intercept Point
* IIP3 와 OIP3 계산하는 방법
Gain Compression Point
Nonlinear Effect (2)
 Inter-modulation Distortion (IMD)
- Nonlinear 특성을 나타내기 위해
Power Series를 이용하여 풀면,
- 입력으로 Two Tone Signal를 입력하면,
제거되지 않는 Harmonics
Conclusion
 전반적인 RF Components에 대한 회로 설계 이론에 대한 이해
 RF System에 대한 설계 능력을 향상 시킬 수 있다.
 회로 설계 뿐 만 아니라 실제 설계된 RF 부품에 대한 정확한 RF Testing이 중요
 그 외에 많은 중요 부품에 대한 깊은 이해가 필요.