산업용 로보트(Robot)의 지능화

임종식,Lim, Jong-Sik 한국기술사회 2012 技術士 Vol.45 No.2

위성통신용 30GHz대 MMIC 저잡음증폭기의 설계 및 제작

임종식,염인복,유영근,강성춘,남상욱,Lim, Jong-Sik,Yom, In-Bok,Yoo, Young-Geun,Kang, Sung-Choon,Nam, Sang-Wook 대한전자공학회 1999 電子工學會論文誌, D Vol.d36 No.9

A 2-stage MMIC(monolithic Microwave Integrated Circuits) LNA(Low Noise Amplifiers) at 30GHz hand has been designed and fabricated for the Ka-band Satellite Communications. The $0.15 {\mu}m$ with the width of $80 {\mu}m$ pHEMT technology was used for the fabrication of this MMIC LNA. Using the series feedback technique, ultra low noise and excellent S11 could be obtained at the same time without the cost of gain at 30GHz-band. The stability factors(Ks) for each stage and overall stage are greater than 1 at full frequency bands by the bias circuits and stabilization circuit. The measured performances, which agree well with the predicted performances, show this 2-stage MMIC LNA has the gain of more than 15.7dB and noise figure of less than 2.09dB over 29GHz to 33GHz. 위성통신용 30GHz대 저잡음 증폭기 MMIC 회로가 $0.15 {\mu}m$ 게이트를 구현하는 pHEMT 기술로 제작되었다. 하나의 저잡음 증폭용 pHEMT 소자는 길이 $20{\mu}m$인 게이트 핑거 4개로 구성되어 있다. HEMT 소자의 소오스에 연결한 직렬 궤환 회로로 인하여 30GHz대 주파수에서 고이득과 저잡음, 그리고 우수한 입력측 반사계수를 동시에 얻을 수 있었다. 바이어스 회로 및 증폭기 안정화 회로를 이용하여 제 1단, 제 2단 및 증폭기 전체가 전대역에서 모두 인정한 동작을 하도록 하였다. 제작된 2단 MMIC 저잡음증폭기는 사용대역인 29 ~ 33GHz에서 15.7dB 이상의 이득과 .2.09dB 이하의 잡음지수를 가진 것으로 측정되어 설계시의 예측된 성능과 잘 일치한다.

결합된 접지 구조를 이용한 증폭기의 소형화 방법

임종식,박준석,김철수,이영택,안달,남상욱,Lim, Jong-Sik,Park, Jun-Seok,Kim, Chul-Soo,Lee, Young-Tak,Ahn, Dal,Nam, Sang-Wook 한국전자파학회 2002 한국전자파학회논문지 Vol.13 No.5

본 논문은 마이크로스트립이나 코플래너 웨이브가이드와 같은 평면형 전송선로의 접지면에 결함 접지 구조(defected ground structure, DGS)를 식각하여 증폭기 의 길이를 줄이는 방법을 제시한다. DGS에 기인하여 발생하는 부가적인 등가의 L-C 성분에 의하여 전파 지연 특성이 표준형 전송선로보다 더욱 크게 나타나는데, 이로 인하여 DGS를 포함한 전송선로의 전기적 길이가 DGS가 없는 동일한 물리적 길이의 전송선로보다 더욱 길다는 점을 이용한다. 즉, 동일한 전기적 길이를 유지하기 위하여 DGS를 삽입한 후 전송선로의 물리적 길이를 줄일 수 있다는 것이 본 논문에서 이용하는 주개념이다. 원래의 전송선로가 증폭기 정합회로의 어느 부분이라고 할 때, DGS를 삽입하고 물리적 길이를 줄임으로써 전기적 길이를 원래 선로와 같게 맞추면 원증폭기의 정합과 성능을 그대로 유지할 수 있다. 제시된 방법을 검증하기 위하여 마이크로스트립, CPW 각각에 대하여 원증폭기를 제작하고, 다시 DGS를 이용하여 길이를 줄인 증폭기를 제작하였다. 그리고 이들 증폭기 정합회로에 포함된 원래의 전송선로와 DGS를 삽입하여 길이를 줄인 전송선로도 각각 제작하였다. 측정된 결과들은 DGS에 의하여 길이가 줄어든 증폭기의 성능이 원증폭기의 성능과 거의 같음을 보여주고 있다. 또한 DGS를 삽입하여 길이를 줄여준 전송선로의 측정된 전기적 길이도 원선로와 거의 유사함을 보여주고 있다. This paper presents a new method, which uses defected ground structure (DGS) on the ground planes of planar transmission lines such as microstrip and coplanar waveguide (CPW), to reduce the size of amplifiers. The main idea can be summarized as follow; DGS on the ground plane of microstrip or CPW line shows an increased slow-wave effect due to the additional equivalent L-C components. So the electrical length of the transmission line with DGS is longer than that of the standard transmission line for the same physical length. Then, the length of the transmission line with DGS can be shortened in order to maintain the original electrical length to be the same. This leads the matching of the original amplifier to be kept. In order to show the proposed method is valid, two kinds of amplifiers, the original amplifier and reduced amplifier, are fabricated, measured, and compared using both microstrip and CPW. The measured performances of the reduced amplifiers with DGS are quite similar to the ones of the original amplifiers for both microstrip and CPW amplifiers, even though the size of matching networks of the amplifiers with DGS are much smaller than those of the original amplifiers.

맴돌이형 결함접지구조를 이용한 마이크로파 증폭기의 소형화 방법

임종식,정용채,안달,남상욱,Lim, Jong-Sik,Jeong, Yong-Chae,Ahn, Dal,Nam, Sang-Wook 한국전자파학회 2003 한국전자파학회논문지 Vol.14 No.9

맴돌이형 결함접지구조(spiral-shaped defected ground structure, Spiral-DGS)를 이용하여 증폭기의 크기를 줄이는 새로운 방법이 제시되었다. 접지면에 Spiral-DGS를 지니는 마이크로스트립 선로는 동일한 물리적 길이의 표준형 마이크로스트립 선로에 비하여 더 큰 전파지연상수와 전기적 길이를 갖는다. 또한 대역저지여파기와 같이 특정한 대역에서 우수한 차단 특성을 갖는다. 이 차단 대역이 증폭기의 하모닉을 차단하는데 사용된다. 입,출력 정합회로 내에서 Spiral-DGS가 삽입된 선로의 길이는 원래의 선로 길이의 39 %와 44 %에 불과하다. 그러나 소형화된 증폭기의 측정된 S-파라미터는 원증폭기의 S-파라미터와 잘 일치한다. 소형화된 증폭기의 측정된 2차 하모닉의 크기는 원증폭기보다 최소한 10 dB 이상 더 작다. 3차 하모닉 제거를 위한 Spiral-DGS가 같은 방법으로 증폭기 소형화에 적용되는데, 25 dB 이상의 3차 하모닉 차단 효과를 보인다. A new method to reduce the size of microwave amplifiers spiral-shaped defected ground structure(Spiral-DGS) is proposed. A microstrip line having Spiral-DGS on the ground plane produces increased slow-wave factor and electrical length for the fixed physical length. In addition, it provides an excellent rejection characteristic for a finite frequency band like band rejection filters. The rejection band is used for rejecting harmonic components of amplifiers. The reduced microstrip line lengths in matching networks by Spiral-DGS are 39 % and 44 % of the original ones in input and output matching networks, respectively. It is shown that the measured S-parameters of the reduced amplifier agree well with those of the original amplifier. The measured second harmonic of the reduced amplifier is much less than that of the original amplifier by at least 10 dB. The same technique is applied to reject the third harmonic using the proper Spiral-DGS for the third harmonic frequency. The measured third harmonic is smaller than that of the original amplifier by 25 dB.

결함 접지 구조를 이용하여 소형화한 증폭기의 개선된 전력 성능

임종식,정용채,한재희,이영택,박준석,안달,남상욱,Lim, Jong-Sik,Jeong, Yong-Chae,Han, Jae-Hee,Lee, Young-Taek,Park, Jun-Seok,Ahn, Dal,Nam, Sang-Wook 한국전자파학회 2002 한국전자파학회논문지 Vol.13 No.8

본 논문은 결함 접지 구조(defected ground structure, DGS)를 삽입하여 소형화한 증폭기의 개선된 전력 성능을 언급하고 있다. DGS에 의한 부가적인 등가성분에 의하여 전파 지연 특성과 전기적 길이 증가 현상이 나타나는데, 이 성질을 이용하면 DGS를 포함한 전송 선로의 전기적 길이를 원래와 같게 유지하기 위하여 물리적 길이를 줄일 수 있다. 물리적 길이를 줄이더라도 전기적 길이는 같으므로 표준 증폭기(original amplifier)의 정합과 성능이 그대로 유지된다. DGS를 삽입하여 길이를 줄인 전송 선로는 증폭기의 원하는 동작주파수에서는 손실이 거의 없지만 하모닉 주파수에서는 일정량의 손실이 있으므로, 소형화된 증폭기(size-reduced amplifier)가 표준 증폭기보다 근 우수한 하모닉 차단 특성을 근본적으로 내재하고 있다. 따라서 출력측에서 검출되는 하모닉 성분의 크기가 표준 증폭기보다는 더 작을 것으로 예측할 수 있다. 이를 확인하기 위하여 표준 증폭기와 DGS로 소형화한 증폭기의 전력 성능을 측정한 결과, 소형화한 증폭기의 2차 하모닉, IMD3 성분, ACPR이 각각 5 dB, 2-6 dB, 1-4 dB가 개선되었다. This paper discusses the improved power performances of the size-reduced amplifier using defected ground structure (DGS). The slow-wave effect and enlarged electrical length occur due to the additional equivalent circuit elements of DGS. Using these properties, it is possible to reduce the length of transmission lines in order to keep the same original electrical lengths by inserting DGS on the ground plane. The matching and performances of the amplifier are preserved even after DGS patterns have been inserted. While there is no loss in the size-reduced transmission lines at the operating frequency, but there exists loss to some extent at harmonic frequencies. This leads to the more excellent inherent capability of harmonic rejection of the size-reduced amplifier. Therefore, it is expected tile harmonics of the size-reduced amplifier are smaller than those of the original amplifier. The measured second harmonic, third order intermodulation distortion (IMD3), and adjacent channel power ratio (ACPR) of the size-reduced amplifier are smaller than those of the original amplifier by 5 dB, 2~6 dB, and 1~4 dB, respectively, as expectation.

가변 분배 비율 비대칭 전력 분배기

임종식,오성민,구재진,정용채,안달,Lim, Jong-Sik,Oh, Seong-Min,Koo, Jae-Jin,Jeong, Yong-Chae,Ahn, Dal 한국전자파학회 2007 한국전자파학회논문지 Vol.18 No.5

본 논문에서는 분배 비율을 조절할 수 있는 1:N 비대칭 월킨슨 전력 분배기를 제안한다. 제안된 비대칭 전력분배기는 월킨슨 구조에 기인하고 있다. 제안한 분배기는 사각형 형태의 결함 접지 구조와 결함 접지 구조 안에 위치한 격리 패턴 구조, 그리고 바이어스 전압에 따라 캐패시턴스가 변하는 버랙터 다이오드를 지니고 있다. 결함 접지 구조를 지니는 마이크로스트립 전송 선로의 특성 임피던스는 버랙터 다이오드에 인가된 전압에 따라서 값이 변화하고, 이로 인하여 비대칭 전력 분배 비율도 변한다. 측정에서 얻은 비대칭 전력 분배 비율(N)은 $2.59{\sim}10.4$로써 매우 다양한 전력 분배 비율을 보여준다. In this paper, an unequal 1:N Wilkinson power divider with adjustable dividing ratio is proposed. The proposed unequal power divider is composed of basic Wilkinson structure. It consists of rectangular-shaped defected ground structure (DGS), isolated island pattern in DGS, and varactor diodes of which capacitance depends on bias voltage. The characteristic impedance value of microstrip line having DGS goes up and down by controlling bias voltage for diodes, and consequently the power dividing ratio(N) is adjusted. The obtained N from measurement is $2.59{\sim}10.4$ which mean the proposed divider has adjustable unequal dividing ratio.

다단 윌킨슨 구조의 초광대역 CPW 발룬

임종식,박웅희,정용채,안달,오성민,구재진,김광수,Lim Jong-Sik,Park Ung-Hee,Jeong Yong-Chae,Ahn Dal,Oh Seong-Min,Koo Jae-Jin,Kim Kwang-Soo 한국전자파학회 2006 한국전자파학회논문지 Vol.17 No.9

Ultra wideband CPW batons are proposed in this paper. The proposed talons are consisted of ultra wideband multi-stage Wilkinson dividers and 'X'-shaped $180^{\circ}$ out-of-phase generator. Bottom-bridges and via-holes are used to connect CPW ground lines instead of the conventional air-bridges which require troublesome manual working in fabrication with HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuits) substrates. The proposed CPW batons have ultra wideband of 3 or $10(=F_{figh}/F_{low})$ theoretically, the wideband characteristics and S-parameters of the basis Wilkinson divider are directly converted to those of the proposed batons. The proposed batons are so compact and small compared to the conventional Wilkinson batons because no additional area for out-of-phase section is required. So the size of the proposed batons is exactly the same as that of the basis Wilkinson dividers. As examples, 3-stage and 7-stage wideband Wilkinson dividers are converted to the proposed batons. Their measured operating bandwidth are $1\sim3GHz$ and $0.8\sim5GHz$, respectively, with excellent matching, isolation and power division performances. The measured magnitude and phase balance errors are ${\pm}0.5dB\;and\;0.45\;dB,\;and\;{\pm}5^{\circ}\;and\;{\pm}10^{\circ}C$ over $1\sim3GHz\;and\;0.8\sim5GHz$, respectively. 본 논문에서는 초광대역 CPW(Coplanar Waveguide) 발룬을 제안한다. 제 안된 발룬에는 초광대역을 위한 다단윌킨슨 전력 분배기 구조와 CPW의 "X"-형태의 $180^{\circ}$의 위상차 생성 구조를 갖는다. 또한 CPW 선로에 필요한 접지간 연결을 위하여 bottom-bridge와 via-hole을 사용하는 방법을 제안하여 HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuits) 제작 공정에서 CPW 회로 제작을 편리하게 하였다. 제안된 발룬은 이론적으로 3 또는 10의 초광대역 주파수 대역폭$(=F_{high}/F_{low})$을 갖는데, 윌킨슨 분배기의 초광대역 주파수 특성 과 S-파라미터 특성을 그대로 발룬의 특성으로 전환된다. 제안된 발룬은 $180^{\circ}$ 위상차 생성을 위한 별도의 추가적인 면적을 요구하지 않으므로, 설계의 바탕이 되는 전력 분배기와 같은 크기를 갖는다. 예로써 제작한 3단과 7단 분배기 구조의 발룬은 각각 $1\sim3GHz,\;0.8\sim5GHz$의 주파수 대역에서 우수한 정합 특성, 출력 단자+간 격리 특성, ${\pm}0.5dB$과 ${\pm}0.45dB$의 전력분배 비 에러를 보여주고 있다. 또한 출력 단자간 위상차 에러는 각각 ${\pm}5^{\circ}$와 ${\pm}10^{\circ}$이다.

신호-접지 교차구조를 이용한 소형화된 CPW 월킨슨 분배기 구조의 발룬

임종식,양회성,김동주,정용채,안달,김광수,Lim Jong-Sik,Yang Hoe-Sung,Kim Dong-Joo,Jeong Yong-Chae,Ahn Dal,Kim Kwang-Soo 한국전자파학회 2005 한국전자파학회논문지 Vol.16 No.8

본 논문에서는 소형화된 CPW(Coplanar Waveguide) 발룬을 제안한다. 제안된 발룬에는 신호선-접지선 교차구조가 CPW전송 선로의 중앙 신호선과 양쪽 접지면 사이에 존재하여 180도의 위상차를 만들어 준다 따라서 물리적 길이가 $3{\lambda}/4$인 전송 선로가 ${\lambda}/4$의 길이로 줄어들어도 전기적 길이는 270도를 유지하므로 회로의 소형화가 가능하다. 이것은 종래에 제안된 월킨슨 분배기 구조의 발룬이 월킨슨 분배기 구조를 구성하기 위하여 한쪽 단자 방향으로 $3{\lambda/4$ 길이의 전송 선로를 필요로 하였다는 사실과 비교될 수 있다. 본 논문에서는 또한 CPW 선로의 신호선-접지선 교차 구조가 지니는 180도의 위상차를 측정으로 확인하고 그 결과를 함께 제시한다. In this paper, a novel sized-reduced CPW(Coplanar Waveguide) balun is proposed. It has a crossing structure between signal line and ground planes of CPW transmission line for the $180^{\circ}$ phase inversion. The$3{\lambda}/4$ CPW transmission line is reduced to ${\lambda}/4$ in physical length while the electrical length is preserved to $270^{\circ}$ by the $180^{\circ}$ phase inverting structure, while the previous balun by Lim et at. has a long $3{\lambda}/4$ transmission section to from the Wilkinson divider structure having out of phase between output ports. In addition, the measured data which show the crossing structure has the wanted $180^{\circ}$ phase change is presented in this work.

결함 접지 구조를 이용한 새로운 5-단 저역 통과 여파기

임종식,김철수,안달,정용채,남상욱,김광수,Lim Jong-Sik,Kim Chul-Soo,Ahn Dal,Jeong Yong-Chae,Nam Sangwook,Kim Kwangsoo 한국전자파학회 2005 한국전자파학회논문지 Vol.16 No.6

본 논문에서는 결함 접지 구조(Defected Ground Structure, DGS)를 이용하여 설계한, 전송 선로의 폭이 매우 넓어진 새로운 형태의 5-단 저역 통과 여파기(5-pole Low Pass Filters, LPF)를 제시한다. 이를 위하여 종래에 제시 되었던 3-단 DGS LPF설계 방법을 임의의 N-단 LPF설계에도 적용할 수 있도록 일반화 시키고$(N\geq5)$, 한 예로써 5-단 LPF를 설계 및 측정 결과가 제시된다. LPF원형 회로로부터 필요한 소자값들을 갖는 서로 다른 크기의 DGS를 결정하기 위하여, 매우 정확한 인덕턴스 값을 예측해 주는 곡선 맞춤(curve-fitting) 방법도 제시되었다. 제안하는 5-단 LPF는 병렬 캐패시턴스 구현을 위해 개방 스터브 대신 선폭이 크게 보상된 낮은 임피던스의 전송 선로를 갖는다. 따라서 개방 스터브를 사용할 때 필수적으로 요구되는 T-나 Cross-불연속 접합 소자가 없고, 또한 기존의 LPF에서 직렬 인덕턴스 때문에 필요했던 높은 임피던스 전송 선로가 없다. In this paper, a new type of 5-pole low pass filter(LPF) having defected ground structure(DGS) and very wide transmission line elements is proposed. The previously presented design method of 3-stage LPF using DGS is generalized to design N-pole LPFs for $N\geq5$. As an example, a 5-pole LPF having DGS is designed and measured. The accurate curve-fitting method to determine the series inductors in the prototype filter, and ultimately the size of DGS is described. The proposed 5-pole LPF has transmission line elements with a very low impedance to realize the required shunt capacitance instead of open stubs. Therefore, open stub. Therefore, open stub, Tee-junction, Cross-junction, and high impedance line are not required for the proposed LPF, while they all have been essential in conventional LPFs.

주기구조가 결합된 전송선로의 특성 임피던스 계산

임종식(Lim Jong-Sik),이재훈(Lee, Jae-Hoon),이준(Lee, Joon),한상민(Han, Sang-Min),안달(Ahn Dal) 한국산학기술학회 2010 한국산학기술학회논문지 Vol.11 No.7

본 논문에서는 결함접지구조와 포토닉 밴드갭과 같은 주기구조가 삽입된 전송선로의 특성 임피던스 계산에 대하여 기술한다. λ/4 전송선로 이론을 이용한 계산하는 종래 방법을 고찰하고, 이 방법에 의한 계산 결과가 주파수 의존성이 커서 신뢰도가 낮다는 문제점을 제시한다. 균일한 유전체 기판에 구현된 전송선로의 특성 임피던스 계산에 적용되는 해석적인 방법을 주기구조가 결합된 전송선로에서도 적용될 수 있음을 보인다. λ/4 전송선로 방법과 대신 해석적 방법으로 특성 임피던스를 구하고, 후자의 결과가 주파수에 관계없이 비교적 고정된 값을 가짐을 제시한다. 또한 종래에 특성 임피던스 계산 사례가 없었던 PBG 구조를 지닌 전송선로에 대해서도 특성 임피던스를 계산한다. 시뮬레이션뿐만 아니라 직접 제작하여 측정한 S-파라미터로부터 각각 특성 임피던스를 계산하고 서로 비교하여 상당 히 유사함을 보인다. 그리고 이를 통하여 해석적 방법에 의한 특성 임피던스의 결정 방법이 DGS와 PBG와 같은 주 기구조가 결합된 전송선로의 특성 임피던스 계산에 잘 적용될 수 있음을 보인다. This paper describes the calculation for characteristic impedance of transmission line with periodic structures such as defected ground structure (DGS) and photonic bandgap (PBG). The previous method which uses the λ/4 transmission line model is reviewed and its disadvantage that the calculated characteristic impedance is strongly dependent on the frequency is discussed. The characteristic impedance of transmission lines with periodic structures are calculated using the λ/4 transmission line model and analytic method. The calculated characteristic impedance by the latter method is an almost constant value while that from the first method depends on the frequency strongly. In addition, the characteristic impedance of the transmission line with PBG is calculated and proposed, while it has been rarely studied ever. S-parameters are obtained from the measurement using the fabricated sample as well as simulation, and used for calculating the characteristic impedances and comparison. The characteristic impedances calculated from the measured S-parameters agree well with the simulated results. It is well described that the analytic method to calculate the characteristic impedance of transmission lines on uniform dielectric structures can be applied successfully to the transmission lines with periodic structures such as DGS and PBG.