Low power beamforming receiver for 60 GHz mobile applications

Abstract

무선통신 기술의 출현 이후로, 이동통신 시장의 폭발적인 성장에 힘입어, 더 빠른 전송속도에 대한 요구는 다양한 무선 통신 기술을 개발을 이끌어 왔다. 최근에는 스마트폰의 등장과 함께, 고화질 영상의 스트리밍 서비스가 기하급수적으로 증가하면서, 모바일 데이터 트래픽이 모바일 음성 트래픽을 압도하는 형국에 이르렀으면, 이러한 추세는 영상의 고화질화와 더불어 계속 지속될 전망이다. 이러한 시대적 흐름으로 인해, 2000년도 초반부터, 밀리미터파 기반의 고속 데이터 통신에 대한 연구가 전세계적으로 진행되어왔으며, 이러한 노력의 결실로 최근에는 CMOS 기반의 상용 제품이 출시되고 있다. 최대 7Gbps의 전송속도를 보장하는 밀리미터파 대역 고속 무선통신 기술에 있어서, 빔 형성 기술은 CMOS 밀리미터파 송수신기의 한계를 극복하는 요소로서, 필수적으로 구현되어야 할 기술이다. 본 논문에서는 이러한 밀리미터파 대역 빔 형성 수신기의 구현에 있어서, 선행 연구들이 갖는 높은 전력소모의 한계를 극복하고자, 저손실 위상천이기를 제안하였다. 첫째로, 단위 위상 천이기로서, 90° 고집적 필터형 위상 천이기를 제안하였다. 제안하는 구조는 기존 구조가 갖는 높은 삽입손실과 나쁜 대역내 삽입 특성을 개선할 수 있는 구조로, ±0.18°의 평탄도를 가지며, -5 dB의 삽입 손실 특성을 보인다. 둘째로, 가장 널리 사용되는 기존의 벡터 합 위성천이기의 낮은 합성 효율을 극복하기 위하여, 새로운 구조의 벡터 합 위상 천이기를 제안하였다. 기존의 구조는 벡터 합으로 360°를 표현하기 위하여, 위상 축을 구성하는 4개의 트랜지스터가 상시 연결되고, 동작 시에 2개만 구동되는 방식이었으나, 이러한 방식은 밀리미터파 대역에서 동작하지 않는 트랜지스터의 드레인쪽으로 보이는 임피던스가 유한하기 때문에, 낮은 합성 효율을 보였다. 이러한 문제점을 극복하고자, 2개의 축만으로 360°를 표현할 수 있는 벡터 합 위상 천이기를 제안하였으며, TSMC 65nm 공정으로 구현하여, 8 mW의 적은 전력을 소모하면서, 기존의 State-of-the-art 대비 높은 3dB의 이득을 보였다. 이득 증폭기(GA)와 저 잡음 증폭기(LNA)의 경우, 전류 재활용 기법을 적용하여, 4 단의 Common Source 증폭기가 8 mW의 낮은 전력을 소모하면서도 20 dB의 높은 이득을 갖는다. 또한, 입출력 임피던스 대역은 57 ~ 64GHz의 전 대역을 모두 만족하며, 저 잡음 증폭기의 경우 대역 내에서 최대 8 dB의 잡음 특성을 갖는다. 높은 차수의 변복조 방법을 채용하면, 고성능의 송수신기 구현이 가능하지만, 시스템 복잡도와 전력소모가 같이 증가한다는 점이 있기 때문에, 제안하는 구조에서는 OOK 방식의 복조기를 채택하였다. 7 GHz의 넓은 가용 대역폭을 활용하여, 3 Gbps 이상의 전송속도를 구현하면서도, 25 mW의 낮은 전력을 소모하였다. 상기 빔 형성 구성 소자들은 단일 측정을 통한 성능 검증 외에도 FR4 기반의 PCB 공정을 활용하여 시스템 보드를 제작하고, 이 위에 Taconic TLY-5 기판을 PCB 공정을 통한, 1x2 배열 야기 우다 안테나와 Wilkinson combiner를 제작하여, MMIC 칩들과 wire-bonding으로 함께 집적하여, 2 배열 빔 형성 수신기를 AiP 상태에서의 성능 검증을 수행하였다. TLY 기판을 이용한 야기 우다 안테나는, 50 ~ 65GHz에 해당하는 넓은 입력 반사손실 특성을 갖고, 8 dBi에 해당하는 이득을 갖는다. 본 검증 과정을 통해해서, 빔 형성 동작이 제대로 수행되고 있음을 60 GHz의 single tone 빔 패턴 측정과, BB 스펙트럼 측정을 통하여 검증하였다. 상기의 검증 과정을 통하여, 마지막으로 모든 단위 소자들을 집적하여, 4 배열 빔 형성 수신기를 설계하였다...