본 논문에서는 평면형 마이크로스트립 공진기를 이용하여 고주파 발진기의 단점인 위상잡음 특성을 개선하기 위해 접지된 결합 C형 공진기를 제안하였고, 이것을 발진기에 적용시켜 위상잡음과 안정도를 개선하였다. 제안된 결합 C형 공진기의 패턴 양 끝단에 Via를 뚫어 두 개의 C형 결합 패턴 중 바깥 부분의 C형 패턴을 접지로 만들었으며, 공진기에 버랙터 다이오드를 삽입하여 제어전압에 의해 공진주파수를 가변시킬 수 있는 구조로 제안하였다. 이와 같은 특성을 이용하여 9.8 GHz X-대역에서 전압제어 발진기를 설계하였다. 또한 제안된 공진기에 DGS (Defected Ground Structure)구조를 이용하여 공진기를 소형화 할 수 있었다.
공진기의 설계 및 발진기의 설계를 하기 위한 소프트웨어로 Agilent사의 ADS (Advanced Design System)를 사용하였고, 공진기의 소형화 해석을 위해 3D 시뮬레이션 소프트웨어인 Ansoft사의 HFSS를 사용하였다. 샘플제작은 유전율 2.3, 유전체두께 0.7874mm, 손실탄젠트 0.0009, 금속 두께 18um인 Taconic사의 Teflon 기판을 사용하여 HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuit)형태로 제작하였다. 능동소자로는 NEC사의 NE42484A를 사용하였다.
발진기의 공진부는 공진특성과 양호도(Q)가 우수한 결합 C형 공진기를 이용하여 발진기를 설계하였다. 제안된 발진기는 9.83 GHz에서 4.87 dBm의 출력을 나타내었으며 접지된 결합 C형 공진기의 C선로 사이에 버랙터 다이오드를 삽입하여 제어전압에 의해 발진 주파수를 변화 시킬 수 있는 전압제어 발진기(VCO)를 설계하였다. 전압제어 발진기의 특성은 최소 9.7807 GHz에서 최대 9.8145 GHz까지 약 33.8 MHz 정도의 튜닝범위를 가지고 있으며 결합 C형 공진기의 C선로 사이에 1개의 버랙터 다이오드를 삽입할 경우 약 20 MHz 튜닝 범위를 가지며, 2개의 버랙터 다이오드를 삽입할 경우 약 33.8 MHz 튜닝 범위를 가진다. 또한 제작된 발진기는 ?115 ∼ -112 dBc/Hz@ 100KHz의 위상잡음 특성을 갖는다.
다음으로 제안된 공진기를 소형화하기 위해 DGS 구조를 설계하여 제안된 공진기와 크기 및 특성을 비교하였다. DGS 구조는 제안된 공진기의 밑면에 C형태의 모양으로 식각된 접지면을 갖는 구조이며 크기를 비교한 결과 DGS를 이용한 결합 C형 공진기가 접지된 결합 C형 공진기에 비해 크기가 약 15%정도 소형화 되었다. 다음으로 DGS 공진기를 사용하여 발진기를 제작하였다. 발진기의 측정결과 9.831 GHz에서 4.25 dBm의 출력을 얻을 수 있었으며 C선로 사이에 버랙터 다이오드를 삽입하여 제어전압에 의해 발진 주파수를 변화 시킬 수 있는 전압제어 발진기(VCO)를 설계하였다. 전압 제어발진기의 특성은 최소 9.7716 GHz에서 최대 9.8003 GHz까지 약 28.7 MHz 정도의 튜닝범위를 가지고 있으며 결합 C형 공진기의 C선로 사이에 1개의 버랙터 다이오드를 삽입할 경우 약 17.3 MHz 튜닝 범위를 가지며, 2개의 버랙터 다이오드를 삽입할 경우 약 28.7MHz 튜닝 범위를 가진다. 또한 제작된 발진기는 ?111 ∼ -108 dBc/Hz@ 100KHz의 위상잡음 특성을 갖는다. 본 논문의 발진기는 평면형 구조로 쉬운 작업공정과 소형화 특성 때문에 MIC 또는 MMIC 분야의 설계에 응용될 수 있을 것이다.

This paper sought to propose a grounded coupled C-type resonator to improve a phase nose characteristic, which is a disadvantage of a high-frequency oscillator, by using a planar type microstrip resonator and improve the phase noise and stability by applying it to an oscillator. Vias were formed at both ends of the pattern of the coupled C-type resonator to make the C-type pattern of the outer part of the two C-type coupled patterns grounded, and a varactor diode was inserted into the resonator to propose a structure where the resonance frequency can be varied by a control voltage. With the use of this characteristic, a voltage controlled oscillator was designed in the 9.8 GHz X-band. In addition, the resonator could be miniaturized by using a defected ground structure (DGS).
Advanced Design System (ADS) software from Agilent was used for design of the resonator and oscillator, and High Frequency Structure Software (HFSS), a 3D simulation software developed by Ansoft was used to analyze the resonator miniaturization. A sample was fabricated in the form of Hybrid Microwave Integrated Circuit (HMIC) using a Taconic''s Teflon substrate with a dielectric constant of 2.3, dielectric thickness of 0.7874mm, loss tangent of 0.0009 and metal thickness of 18um, and NEC''s NE42484A was used as an active element.
The oscillator was designed using a coupled C-type resonator with excellent resonance characteristics and good quality(Q). The proposed oscillator exhibited output of 4.87 dBm at 9.83 GHz, and the voltage controlled oscillator (VCO) that can change the oscillation frequency by controlling voltage was designed by inserting the varactor diode between C lines of the grounded coupled C-type resonator. The voltage controlled oscillator has a tuning range of about 33.8 MHz from a minimum of 9.7807 GHz to a maximum of 9.8145 GHz. It has a tuning range of about 20 MHz if a single varactor diode is inserted between C lines of the coupled C-type resonator and shows a tuning range of about 33.8 MHz if two varactor diodes are inserted. In addition, the manufactured oscillator has phase noise characteristics of ?115 ~ -112 dBc/Hz@ 100KHz.
In order to miniaturize the proposed resonator, the DGS was designed for a comparison of the size and characteristics with the proposed resonator. The DGS is a structure with a ground plane that is etched in the shape of C at the bottom of the proposed resonator, and the comparison results showed that the size reduction of the coupled C-type resonator using the DGS was about 15% compared with the grounded C-type resonator. Next, the oscillator was manufactured using the DGS resonator. According to the oscillator measurement results, the output of 4.25 dBm was obtained at 9.831 GHz, and the voltage controlled oscillator (VCO) that can change the oscillation frequency by controlling voltage was designed by inserting the varactor diode between C lines of the grounded coupled C-type resonator. A look at the VCO characteristics revealed that the VCO has a tuning range of about 28.7 MHz from a minimum of 9.7716 GHz to a maximum of 9.8003 GHz. It has a tuning range of about 17.3 MHz if a single varactor diode is inserted between C lines of the coupled C-type resonator and shows a tuning range of about 28.7 MHz if two varactor diodes are inserted. In addition, the manufactured oscillator has phase noise characteristics of ?111 ~ -108 dBc/Hz@ 100KHz. It is expected that the oscillator proposed in this paper can be applied to the design of MICs and MMICs due to the miniaturization characteristics and easy working process resulting from a planar structure.