메타인공물질 SRR 공진기를 이용한 저 위상잡음 발진기에 관한 연구 = (A)Study on Low Phase Noise Oscillator Using μ-Near Zero Metamaterial Split Ring Spiral Resonator

국문 초록 (Abstract)

메타 인공 물질(Metamaterial)은 자연계인 전자기학에서 존재하지 않는 새로운 전자기적 특성을 가지는 인공 물질이며 전자기학에서 사용되는 물질은 유전율과 투자율이 모두 양의 값을 갖는다. 그러나, 메타 인공 물질은 유전율과 투자율이 음의 값을 갖는데 그 중에서 MNZ(Mu-Near Zero)계열의 메타인공물질이 있다. 이 MNZ 메타 인공물질은 투자율 값이 1보다 적은 0 값을 갖고 있기 때문에 이는 메타 인공 물질 특성을 만족하게 된다.MNZ계열의 메타 인공물질은 공진특성을 갖고 있으며 이 공진 특성을 이용하게 되면 주파수 선택도(Q:Quality factor)가 매우 우수하고 크기가 작은 하부파장 공진기를 설계 할 수가 있게 된다. 또한 주파수 선택도가 우수한 공진기를 발진기에 적용하게 되면 위상 잡음을 최소화 하는데 도움이 된다. 본 논문은 MNZ계열의 메타 인공물질을 갖는 Q값이 우수한 분할 링(Split Ring)과 나선형(Spiral)이 결합된 공진기를 제안하였고 이 공진기를 X 밴드의 발진기에 적용하여 위상 잡음을 최소화 하는데 기여했다. 분할링과 나선형이 결합된 새로운 공진기는 높은 Q 예리한 차단 대역 특성을 갖고 있기 때문에 발진기에서 낮은 위상 잡음을 얻을 수가 있다. 새로운 공진기의 Q값은 공진 주파수 9.2 GHz에서 193 이고 발진기의 출력 및 2차 고조파 억압 특성은 각각 14.13 dBm 및 -46.33 dBc의 값을 보여주고 있다. 또한 9.2 GHz의 캐리어(Carrier) 주파수의 위상 잡음 값은 100 KHz offset에서 -104.54 dBc/Hz 이다. 따라서 본 논문에서 제안한 공진기 및 발진기는 향후 군사용 위성통신 시스템에 적용이 가능할 것으로 기대되고 평면구조로 인하여 MMIC 적용이 가능하리라 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Metamaterials are artificial structures that can be designed to exhibit specific electromagnetic properties which are not commonly found in nature. In general material has been positive value in the permittivity and permeability. Then, MNZ(Mu Near Zero) is metamaterial. The permeability of MNZ metamaterial has zero. The permittivity and permeability of metamaterial has been negative values. In this dissertation, a new high loaded quality factor (QL) composed of split ring and spiral resonator with MNZ (Mu Near-Zero) metamaterial is presented and applied to the design of the X-band low phase noise oscillator. Due to its sharp band-rejection characteristic of the proposed resonator, low phase noise for the oscillator can be obtained. In experimental results, the QL of resonator is 193 at the 9.2 GHz of resonant frequency.
The oscillator exhibits the output power of 14.13 dBm and second harmonic suppression of -46.33 dBc. The phase noise is -104.54 dBc/Hz at 100 KHz offset at the carrier frequency of 9.2 GHz. Since the proposed resonator of MNZ metamaterial has advantages of high-QL and compact-size, it can be applied to a low phase noise oscillator and also used in military satellite communication and possible to MMIC application due to planar structure.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론
• 제 2 장 메타인공물질
• 2-1. 전송선로 구조 이론
• 2-2. 메타인공물질의 정의
• 2-3. 메타인공물질의 구조
• 제 3 장 MNZ 메타인공물질 구조의 새로운 공진기
• 3-1. 분할 링 공진기
• 3-2. 나선형 공진기
• 3-3. MNZ 메타인공물질의 새로운 복합형 공진기
• 3-3-1. 구조적 특징
• 3-3-2. 주기적인 격자의 변화에 따른 공진 주파수의 변화
• 3-3-3. 공진기의 제작 및 측정
• 제 4 장 발진기 이론
• 4-1. 1-포트 부성저항 발진기
• 4-2. 2-포트 부성저항 발진기
• 제 5 장 MNZ 구조의 새로운 공진기를 이용한 발진기 설계
• 5-1. 자기 바이어스 회로
• 5-2. 발진기의 구조 및 시뮬레이션 결과
• 5-3. 발진기의 제작 및 측정
• 5-3-1. 제작된 발진기에 대한 논의
• 제 6 장 결 론
• 참 고 문 헌