CMOS 펄스 레이더 시스템용 24 GHz 전압 제어 발진기

Abstract

최근 모션 센서 기술이 IOT 기술과 스마트 센서 기술의 도입으로 많은 관심을 모으고 있다. 일반적으로 PIR 센서가 다소 부족한 성능에도 저렴한 생산비용 때문에 실내용 센서로 널리 쓰이고 있다. 본 논문에서는 CMOS radar를 통해 구현된 모션센서가 소개 되고 있다. 레이다를 이용한 모션센서는 주로 고금형 제품에 이용이 되어 왔는데, 그 이유는 전력 소모가 크고 생산 비용이 높기 때문이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 레이다는 펄스 동작을 이용해 구현을 하고자 하였고 CMOS 공정을 이용하고자 하였다. 전력 소모를 낮추기 위해서는 전력 소모가 큰 블록을 짧은 pulse로 이용해 구현하는 것이 중요하다. 따라서, 두 종류의 펄스가 이용되었다. Rx/VCO용으로는 2%의 CLK이, Tx와 PA용으로는 0.2%의 CLK이 이용되었다. 그리고 이를 이용해 전력소모를 크게 낮출 수 있었다. 또한, 이러한 레이다 시스템이 CMOS 공정을 이용해 구현되었기에, 다른 회로들과 integration이 되기 쉽다는 장점이 있다. 추가적으로, Tx 동작의 pulse 동작으로 인한 전압 fluctuation을 막기 위해 PA용 ground는 다른 회로 블록의 그라운드와 별도의 블록을 이용한다. 제안된 레이다 시스템은 도플러 효과를 이용해 대상의 움직임을 감지하고자 하였다. 작동주파수는 ISM 밴드 중에서 FCC 규격을 고려해 24 GHz로 선택 되었다. VCO가 레이다 시스템의 작동에 있어 중요한 역할을 하기 때문에, 넓은 tuning range를 가지고 큰 gm값을 가지게 하여 작동을 보장하고 자 하였다.

추가적으로, 24 GHz 커플링 VCO가 설계되었다. 24 GHz 주파수 대역은 차량용 근거리 레이다 application으로 주로 이용이 되기 때문에, 많은 관심사가 모아지고 있다. 본 논문에서 제안된 Coupled VCO를 이용하면 두 VCO의 주파수를 적절히 tuning 해주면, 24 GHz 대역에서 0도 부터 90도까지의 phase 차이를 형성해 줄 수 있다.