목차
1. 실험제목
2. 실험목적
3. 실험준비
4. 실험이론
5. 실험내용(회로구성 및 실험결과)
6. 토의 및 토론
2. 실험목적
3. 실험준비
4. 실험이론
5. 실험내용(회로구성 및 실험결과)
6. 토의 및 토론
본문내용
호가 불연속이 되는 바람에, 왜곡(distortion)을 일으키게 된다.
<그림 12> 입출력 파형으로 보는 DBM의 동작
바로 이 왜곡된 부분에서 비선형성이 발생하고, 그로 인해 오만가지 주파수 성분들이 믹싱되어 태어나게 된다. 그리고 이 불연속 부분은 LO 신호 주파수의 주기로 인해 발생하므로, 결국 RF 신호 주파수와 LO 신호 주파수가 합성된 주파수 성분이 발생하게 되는 것이다.
결국 스위칭 상태의 변화에 의해 나타나는 비선형성으로 인해 믹싱된 주파수 성분이 나타나고, 그러한 믹싱 주파수 성분들은 스위치를 껐다 키는 LO 신호의 주파수에 의존함으로써, 결과적으로 믹서로써 동작하게 된다.
여기까지의 동작 설명은 높은 주파수의 RF 신호를 낮은 주파수의 IF 신호로 변환하는, 즉 수신회로에서 DBM을 사용한 경우를 가정한 것이었다. (Down conversion) 그런데 <그림 10>, <그림 11>의 DBM 기본동작을 보면, 신호의 전달 방향은 RF IF 뿐만 아니라 IF RF 로도 똑같이 가능하다는 것을 눈치챌 수 있을 것이다.
아래의 <그림 13>과 같이, IF 로부터 신호를 입력하고 RF로 신호를 출력해내는 것도 가능하다. 이것은 낮은 주파수의 IF 신호를 높은 주파수의 RF 신호로 변환하는, 송신회로에서의 DBM 사용이다. (Up conversion), 즉 같은 DBM은 송신회로와 수신회로 어느쪽에서도 사용할 수 있으며, 대부분의 패시브 믹서는 이러한 쌍대성을 가지게 된다.
<그림 13> 반대로 사용하기
5) Active Mixer
액티브믹서는 능동소자를 이용하기 때문에, 주파수 변환을 실시하는 동시에 신호를 증폭할 수도 있다. 그래서 패시브 믹서에서는 변환손실(Conversion Loss)이 발생하지만, 액티브 믹서에서는 변환이득 (Conversion Gain)을 얻을 수 있다.
또한 액티브 믹서는 패시브 다이오드 믹서처럼 LO 신호 전력에 의해 스위치가 구동되는 방식이 아니라서, 일반적으로 LO 신호전력이 작아도 동작이 가능합니다. 그러한 장점들 때문에, IC로 구현된 믹서들은 대부분 액티브 믹서로 구현된다.
<그림 14>에 나타낸 트랜지스터 회로를 이용한 주파수변환의 구조를 관찰해보겠습니다. 적당한 바이어스가 가해진 트랜지스터의 베이스와 이미터간에, 아래 식에서 나타낸 전압이 가해지고 있는 상황이다.
(12)
<그림 14> 트랜지스터 회로를 이용한 주파수 변환
트랜지스터는 PN접합으로 되어 있기 때문에, 컬렉터 전류의 변화량 Ic 는 식(8)과 같은 식(13)으로 나타낼 수 있다.
(13)
식(13)에 식(12)를 대입하여 전개하면, 패시브 믹서처럼 식(10)과 완전히 같은 식을 얻을 수 있으며, 이를 통해 주파수 변환이 이루어지고 있음을 쉽게 알 수 있게 된다. (시간여유가 있으신 분들은 계산해보세요) 또한 FET의 경우에는 주로 상호 컨덕턴스(gm) 의 비선형 특성에 의해 주파수 변환이 행해진다.
믹서의 원리는 이처럼 수학계산을 통해서만 증명이 가능하다. 그렇기 때문에 본의 아니게 믹서를 설명할 때는 반드시 수식이 동반되어 설명될 수밖에 없어서, 머리아파 보이기도 한다. 하지만 차근 차근 들여다보면 고등학교의 삼각함수 공식 몇 개와 간단한 사칙연산만으로도 쉽게 증명된다는 점을 알 수 있다.
구분지표
Active Mixer
Passive Mixer
사용되는
비선형소자
Transistor
(BJT,FET,HEMT,HBT..)
Diode
(Schottky)
DC 입력
O
X
변환이득
conversion gain을 가짐
(입력보다 출력전력이 커질 수 있음)
conversion loss를 가짐
(입력대비 출력전력 감소)
회로구성
상대적으로 복잡
상대적으로 간단
특징
증폭현상이 수반되므로 결과물의
크기를 키울 수 있으나, 발진과 같은 추가적인 문제점도 해결해야 한다.
전원없이 쉽게 구성이 가능하지만,
손실로 인해 출력이 작아서 큰 LO 전력 또는 buffer amp등이 필요해진다
5. 실험내용(회로구성 및 실험결과)
1) Design : Curver Tracer
① 회로구성
② 실험결과
2) Design : Curver Tracer
① 회로구성
② 실험결과
3) Design : Stability Circuit
① 회로구성
② 실험결과
4) Design : P1dB Level for LO Level
① 회로구성
② 실험결과
5) Design : Trap Circuits
① 회로구성
② 실험결과
6) Design : Trap Circuits2
① 회로구성
② 실험결과
7) Design : Initial Conversion Gain Test
① 회로구성
② 실험결과
8) Design : RF / LO Matching
① 회로구성
② 실험결과
9) Design : IF Matching
① 회로구성
② 실험결과
10) Design : LPF
① 회로구성
② 실험결과
11) Performance : Conversion Gain By LO Level
① 회로구성
② 실험결과
12) Performance : P1dB
① 회로구성
② 실험결과
13) Performance : Conversion Gain By Freq
① 회로구성
② 실험결과
14) Performance : IMD
① 회로구성
② 실험결과
15) Performance : Isolation
① 회로구성
② 실험결과
6. 토의 및 토론
믹서 설계 실험을 통해서 주파수 혼합에 따른 시그널들의 변화들을 여러 믹서 파라메터들을 통해서 확인할 수 있었다. 여러 파라메터에 의한 신호들 변화들을 한눈에 확인 할 수 있는 이점을 확인하고 믹서 이론을 공부할 수 있었다.
믹서 실험에 있어서 수치 대입과 범위 설정 부분에 있어서 오류를 만들 가능성이 많다. 예를 들어 포트 1번과 2번의 경우 순서만 바뀌기만 하더라도 에러가 발생하였고, 문서상에 있어서 한글 지원이 안되기 때문에 경로의 문제나 파일명을 한글이 있는 경우에도 에러가 발생하는 문제를 일으켰다.
여러 믹서 구성요소들을 다양하게 하여 믹서에 대한 발전된 생각을 해볼 수 있는 기회를 가져볼 생각이며 여러 믹서 구성에 따른 특징과 쓰임새를 확인하자..
<그림 12> 입출력 파형으로 보는 DBM의 동작
바로 이 왜곡된 부분에서 비선형성이 발생하고, 그로 인해 오만가지 주파수 성분들이 믹싱되어 태어나게 된다. 그리고 이 불연속 부분은 LO 신호 주파수의 주기로 인해 발생하므로, 결국 RF 신호 주파수와 LO 신호 주파수가 합성된 주파수 성분이 발생하게 되는 것이다.
결국 스위칭 상태의 변화에 의해 나타나는 비선형성으로 인해 믹싱된 주파수 성분이 나타나고, 그러한 믹싱 주파수 성분들은 스위치를 껐다 키는 LO 신호의 주파수에 의존함으로써, 결과적으로 믹서로써 동작하게 된다.
여기까지의 동작 설명은 높은 주파수의 RF 신호를 낮은 주파수의 IF 신호로 변환하는, 즉 수신회로에서 DBM을 사용한 경우를 가정한 것이었다. (Down conversion) 그런데 <그림 10>, <그림 11>의 DBM 기본동작을 보면, 신호의 전달 방향은 RF IF 뿐만 아니라 IF RF 로도 똑같이 가능하다는 것을 눈치챌 수 있을 것이다.
아래의 <그림 13>과 같이, IF 로부터 신호를 입력하고 RF로 신호를 출력해내는 것도 가능하다. 이것은 낮은 주파수의 IF 신호를 높은 주파수의 RF 신호로 변환하는, 송신회로에서의 DBM 사용이다. (Up conversion), 즉 같은 DBM은 송신회로와 수신회로 어느쪽에서도 사용할 수 있으며, 대부분의 패시브 믹서는 이러한 쌍대성을 가지게 된다.
<그림 13> 반대로 사용하기
5) Active Mixer
액티브믹서는 능동소자를 이용하기 때문에, 주파수 변환을 실시하는 동시에 신호를 증폭할 수도 있다. 그래서 패시브 믹서에서는 변환손실(Conversion Loss)이 발생하지만, 액티브 믹서에서는 변환이득 (Conversion Gain)을 얻을 수 있다.
또한 액티브 믹서는 패시브 다이오드 믹서처럼 LO 신호 전력에 의해 스위치가 구동되는 방식이 아니라서, 일반적으로 LO 신호전력이 작아도 동작이 가능합니다. 그러한 장점들 때문에, IC로 구현된 믹서들은 대부분 액티브 믹서로 구현된다.
<그림 14>에 나타낸 트랜지스터 회로를 이용한 주파수변환의 구조를 관찰해보겠습니다. 적당한 바이어스가 가해진 트랜지스터의 베이스와 이미터간에, 아래 식에서 나타낸 전압이 가해지고 있는 상황이다.
(12)
<그림 14> 트랜지스터 회로를 이용한 주파수 변환
트랜지스터는 PN접합으로 되어 있기 때문에, 컬렉터 전류의 변화량 Ic 는 식(8)과 같은 식(13)으로 나타낼 수 있다.
(13)
식(13)에 식(12)를 대입하여 전개하면, 패시브 믹서처럼 식(10)과 완전히 같은 식을 얻을 수 있으며, 이를 통해 주파수 변환이 이루어지고 있음을 쉽게 알 수 있게 된다. (시간여유가 있으신 분들은 계산해보세요) 또한 FET의 경우에는 주로 상호 컨덕턴스(gm) 의 비선형 특성에 의해 주파수 변환이 행해진다.
믹서의 원리는 이처럼 수학계산을 통해서만 증명이 가능하다. 그렇기 때문에 본의 아니게 믹서를 설명할 때는 반드시 수식이 동반되어 설명될 수밖에 없어서, 머리아파 보이기도 한다. 하지만 차근 차근 들여다보면 고등학교의 삼각함수 공식 몇 개와 간단한 사칙연산만으로도 쉽게 증명된다는 점을 알 수 있다.
구분지표
Active Mixer
Passive Mixer
사용되는
비선형소자
Transistor
(BJT,FET,HEMT,HBT..)
Diode
(Schottky)
DC 입력
O
X
변환이득
conversion gain을 가짐
(입력보다 출력전력이 커질 수 있음)
conversion loss를 가짐
(입력대비 출력전력 감소)
회로구성
상대적으로 복잡
상대적으로 간단
특징
증폭현상이 수반되므로 결과물의
크기를 키울 수 있으나, 발진과 같은 추가적인 문제점도 해결해야 한다.
전원없이 쉽게 구성이 가능하지만,
손실로 인해 출력이 작아서 큰 LO 전력 또는 buffer amp등이 필요해진다
5. 실험내용(회로구성 및 실험결과)
1) Design : Curver Tracer
① 회로구성
② 실험결과
2) Design : Curver Tracer
① 회로구성
② 실험결과
3) Design : Stability Circuit
① 회로구성
② 실험결과
4) Design : P1dB Level for LO Level
① 회로구성
② 실험결과
5) Design : Trap Circuits
① 회로구성
② 실험결과
6) Design : Trap Circuits2
① 회로구성
② 실험결과
7) Design : Initial Conversion Gain Test
① 회로구성
② 실험결과
8) Design : RF / LO Matching
① 회로구성
② 실험결과
9) Design : IF Matching
① 회로구성
② 실험결과
10) Design : LPF
① 회로구성
② 실험결과
11) Performance : Conversion Gain By LO Level
① 회로구성
② 실험결과
12) Performance : P1dB
① 회로구성
② 실험결과
13) Performance : Conversion Gain By Freq
① 회로구성
② 실험결과
14) Performance : IMD
① 회로구성
② 실험결과
15) Performance : Isolation
① 회로구성
② 실험결과
6. 토의 및 토론
믹서 설계 실험을 통해서 주파수 혼합에 따른 시그널들의 변화들을 여러 믹서 파라메터들을 통해서 확인할 수 있었다. 여러 파라메터에 의한 신호들 변화들을 한눈에 확인 할 수 있는 이점을 확인하고 믹서 이론을 공부할 수 있었다.
믹서 실험에 있어서 수치 대입과 범위 설정 부분에 있어서 오류를 만들 가능성이 많다. 예를 들어 포트 1번과 2번의 경우 순서만 바뀌기만 하더라도 에러가 발생하였고, 문서상에 있어서 한글 지원이 안되기 때문에 경로의 문제나 파일명을 한글이 있는 경우에도 에러가 발생하는 문제를 일으켰다.
여러 믹서 구성요소들을 다양하게 하여 믹서에 대한 발전된 생각을 해볼 수 있는 기회를 가져볼 생각이며 여러 믹서 구성에 따른 특징과 쓰임새를 확인하자..
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