전세계적으로 5G 구현을 위한 연구/개발이 활발하게 진행 중입니다. 5G 가 실현이 되면 실생활에 많은 변화가 올 것으로 예상이 됩니다. 이론적으로 데이터 전송속도가 4G 에 비해 200배 이상 빨라지기 때문에, 4K 급에 고화질 동영상을 실시간으로 전송할 수 있고, 스마트 카, VR 등 많은 기술들의 구현이 가능해집니다. 5G 구현을 위한 데이터 전송 속도를 높이기 위해서는 넓은 ...
전세계적으로 5G 구현을 위한 연구/개발이 활발하게 진행 중입니다. 5G 가 실현이 되면 실생활에 많은 변화가 올 것으로 예상이 됩니다. 이론적으로 데이터 전송속도가 4G 에 비해 200배 이상 빨라지기 때문에, 4K 급에 고화질 동영상을 실시간으로 전송할 수 있고, 스마트 카, VR 등 많은 기술들의 구현이 가능해집니다. 5G 구현을 위한 데이터 전송 속도를 높이기 위해서는 넓은 대역폭을 확보하거나, S/N을 높여야 합니다. 3 GHz 이하에 주파수를 사용하는 4G에서는 넓은 대역폭과 높은 S/N을 구현하는데 한계가 있습니다. 하지만 밀리미터파 대역은 넓은 대역폭의 확보가 가능하고 밀리미터파의 짧은 파장으로 인한 안테나의 소형화 및 배열 안테나 구현 또한 가능해 집니다. 이를 통해서 빔의 지향성 및 고이득으로 S/N을 높이고 한 방향으로 집중된 빔을 빔포밍 기술을 이용하여 원하는 방향으로 빔을 조향 할 수 있습니다. 위상 배열 안테나는 1900년도부터 오랫동안 연구되어온 기술로서 군용, 기상, 위성 레이더 등에서 사용되어 왔습니다. 하지만 기존의 X-대역 이하의 주파수에서 사용된 위상 배열 안테나는 brick-type으로 크기가 매우 크고, 성능이 좋은 화합물 반도체인 GaAs 칩을 사용하여 구현이 복잡하고, 가격이 비싸다는 단점이 있었습니다. 하지만 5G 의 경우 짧은 파장의 밀리미터파의 주파수를 사용하여 단일 안테나 크기가 작아지기 때문에 모듈 전체 크기를 작게 구현할 수 있습니다. 또한 CMOS 공정이 빠른 속도로 발전하고 있기 때문에 GaAs 공정 대신에 다기능, 다채널의 높은 집적도를 가지는 CMOS칩을 이용한다면, PCB 한장으로 위상 배열 안테나를 구현 할 수 있는 패널-type 구조를 이용 할 수 있습니다. 제안한 CMOS T/R칩셋은 빔포밍을 위한 6 비트 위상 변위기, 6 비트 가변 감쇄기, 양방향 증폭기를 포함하는 1 채널이 총 4 채널로 구성되어 있고, 각 4 채널의 전력 분배를 위해서 4-way 전력 분배/합성기를 이용하였습니다. 또한 칩 내부에 안정적인 1 V 전원공급을 위한 LDO와 디지털 회로를 간편하게 제어하기 위한 SPI를 집적화 하였습니다. 또한 입/출력에 높은 격리도를 가지는 DPDT 스위치를 이용하여 TTD 방식의 dual polarization을 지원하며, 증폭기를 뺀 모든 회로를 패시브로 설계함으로써 T/R 양방향이 가능하도록 하였습니다. 설계한 T/R 칩셋은 Rx모드에서 228 mA Tx 모드에서 350 mA를 소모합니다. 제작한 CMOS T/R 칩셋은 Rx 모드 28~30 GHz까지 6 dB 이상의 이득과 10 dB 이상의 입/출력 반사손실을 가집니다. 또한 Tx 모드 28~30 GHz까지 13 dB 이상의 이득과 10 dB 이상의 입/출력 반사손실을 가집니다. 위상변위기는 11.25˚ 간격으로 360˚의 위상 가변이 가능하고, 가변 감쇄기는 1 dB 간격으로 31 dB의 진폭 가변이 가능합니다. 위상 변위기 가변 시 7˚ 의 위상과 0.3 dB 진폭 RMS error가 발생하며, 가변감쇄기 가변 시 4.5˚ 의 위상 과 0.5 dB 진폭 RMS error가 발생합니다. 위상 배열 안테나 구성을 위해서 28 GHz 1x7 series feeding 구조의 마이크로 스트립 안테나를 설계하였고, 설계한 28 GHz T/R 칩셋과 안테나를 하나의 PCB에 구현하기 위해 서로 다른 기판을 적층 하였습니다. 안테나 이득을 높이기 위해서 유전율이 낮은 기판과 RF 쪽은 안테나까지 급전을 위한 50옴 라인을 얇게 하기 위해서 유전율이 높은 기판으로 설계하였습니다. 실제 위상 배열 안테나를 구현 시에, 각 안테나의 위상 및 진폭의 오차가 발생하면 빔 합성시에 예상치 못하는 결과를 얻게 됩니다. 제작한 8x7 위상 배열 안테나에서도, 28 GHz CMOS T/R 칩셋의 각 채널에 위상 및 진폭 오차와, 본딩 오차, PCB 공정 오차들에 의해서 빔 패턴의 영향을 주게 됩니다. 따라서 PCB 뒷면에 RF에서 앞면 PCB의 안테나로 급전되는 비아 홀 부분 위에 트랜스미션 라인을 배치하여 커플링 되는 각 안테나 신호의 위상 및 진폭을 측정 할 수 있도록 함으로써, 각 안테나에서 발생하는 진폭 및 위상 오차를 보상 할 수 있도록 하였습니다. 제안한 28 GHz 8x7 위상 배열 안테나를 위에 방식으로 위상 및 진폭을 보상하고 빔 패턴을 측정하였고, 10도 간격으로 -40 도에서 40도 까지 빔을 조향하면서 측정 하였습니다. 모든 각도에서 SRR이 20 dB 이상으로 측정되며 20 dBi 이상의 이득과 10˚ 의 빔폭을 가집니다. 따라서 본 학위 논문은 밀리미터파 대역의 위상 배열 안테나 구현을 위해서 28 GHz 인 Ka-대역에서 CMOS를 이용한 위상 변위기와 가변 감쇄기를 포함하는 다채널 T/R 칩셋을 설계 및 제작 하였으며, 제작한 CMOS T/R 칩셋을 이용하여 패널 타입의 위상 배열 안테나를 구현함으로써 5G 구현에 핵심 솔루션을 제시 하였습니다.
전세계적으로 5G 구현을 위한 연구/개발이 활발하게 진행 중입니다. 5G 가 실현이 되면 실생활에 많은 변화가 올 것으로 예상이 됩니다. 이론적으로 데이터 전송속도가 4G 에 비해 200배 이상 빨라지기 때문에, 4K 급에 고화질 동영상을 실시간으로 전송할 수 있고, 스마트 카, VR 등 많은 기술들의 구현이 가능해집니다. 5G 구현을 위한 데이터 전송 속도를 높이기 위해서는 넓은 대역폭을 확보하거나, S/N을 높여야 합니다. 3 GHz 이하에 주파수를 사용하는 4G에서는 넓은 대역폭과 높은 S/N을 구현하는데 한계가 있습니다. 하지만 밀리미터파 대역은 넓은 대역폭의 확보가 가능하고 밀리미터파의 짧은 파장으로 인한 안테나의 소형화 및 배열 안테나 구현 또한 가능해 집니다. 이를 통해서 빔의 지향성 및 고이득으로 S/N을 높이고 한 방향으로 집중된 빔을 빔포밍 기술을 이용하여 원하는 방향으로 빔을 조향 할 수 있습니다. 위상 배열 안테나는 1900년도부터 오랫동안 연구되어온 기술로서 군용, 기상, 위성 레이더 등에서 사용되어 왔습니다. 하지만 기존의 X-대역 이하의 주파수에서 사용된 위상 배열 안테나는 brick-type으로 크기가 매우 크고, 성능이 좋은 화합물 반도체인 GaAs 칩을 사용하여 구현이 복잡하고, 가격이 비싸다는 단점이 있었습니다. 하지만 5G 의 경우 짧은 파장의 밀리미터파의 주파수를 사용하여 단일 안테나 크기가 작아지기 때문에 모듈 전체 크기를 작게 구현할 수 있습니다. 또한 CMOS 공정이 빠른 속도로 발전하고 있기 때문에 GaAs 공정 대신에 다기능, 다채널의 높은 집적도를 가지는 CMOS칩을 이용한다면, PCB 한장으로 위상 배열 안테나를 구현 할 수 있는 패널-type 구조를 이용 할 수 있습니다. 제안한 CMOS T/R 칩셋은 빔포밍을 위한 6 비트 위상 변위기, 6 비트 가변 감쇄기, 양방향 증폭기를 포함하는 1 채널이 총 4 채널로 구성되어 있고, 각 4 채널의 전력 분배를 위해서 4-way 전력 분배/합성기를 이용하였습니다. 또한 칩 내부에 안정적인 1 V 전원공급을 위한 LDO와 디지털 회로를 간편하게 제어하기 위한 SPI를 집적화 하였습니다. 또한 입/출력에 높은 격리도를 가지는 DPDT 스위치를 이용하여 TTD 방식의 dual polarization을 지원하며, 증폭기를 뺀 모든 회로를 패시브로 설계함으로써 T/R 양방향이 가능하도록 하였습니다. 설계한 T/R 칩셋은 Rx모드에서 228 mA Tx 모드에서 350 mA를 소모합니다. 제작한 CMOS T/R 칩셋은 Rx 모드 28~30 GHz까지 6 dB 이상의 이득과 10 dB 이상의 입/출력 반사손실을 가집니다. 또한 Tx 모드 28~30 GHz까지 13 dB 이상의 이득과 10 dB 이상의 입/출력 반사손실을 가집니다. 위상변위기는 11.25˚ 간격으로 360˚의 위상 가변이 가능하고, 가변 감쇄기는 1 dB 간격으로 31 dB의 진폭 가변이 가능합니다. 위상 변위기 가변 시 7˚ 의 위상과 0.3 dB 진폭 RMS error가 발생하며, 가변감쇄기 가변 시 4.5˚ 의 위상 과 0.5 dB 진폭 RMS error가 발생합니다. 위상 배열 안테나 구성을 위해서 28 GHz 1x7 series feeding 구조의 마이크로 스트립 안테나를 설계하였고, 설계한 28 GHz T/R 칩셋과 안테나를 하나의 PCB에 구현하기 위해 서로 다른 기판을 적층 하였습니다. 안테나 이득을 높이기 위해서 유전율이 낮은 기판과 RF 쪽은 안테나까지 급전을 위한 50옴 라인을 얇게 하기 위해서 유전율이 높은 기판으로 설계하였습니다. 실제 위상 배열 안테나를 구현 시에, 각 안테나의 위상 및 진폭의 오차가 발생하면 빔 합성시에 예상치 못하는 결과를 얻게 됩니다. 제작한 8x7 위상 배열 안테나에서도, 28 GHz CMOS T/R 칩셋의 각 채널에 위상 및 진폭 오차와, 본딩 오차, PCB 공정 오차들에 의해서 빔 패턴의 영향을 주게 됩니다. 따라서 PCB 뒷면에 RF에서 앞면 PCB의 안테나로 급전되는 비아 홀 부분 위에 트랜스미션 라인을 배치하여 커플링 되는 각 안테나 신호의 위상 및 진폭을 측정 할 수 있도록 함으로써, 각 안테나에서 발생하는 진폭 및 위상 오차를 보상 할 수 있도록 하였습니다. 제안한 28 GHz 8x7 위상 배열 안테나를 위에 방식으로 위상 및 진폭을 보상하고 빔 패턴을 측정하였고, 10도 간격으로 -40 도에서 40도 까지 빔을 조향하면서 측정 하였습니다. 모든 각도에서 SRR이 20 dB 이상으로 측정되며 20 dBi 이상의 이득과 10˚ 의 빔폭을 가집니다. 따라서 본 학위 논문은 밀리미터파 대역의 위상 배열 안테나 구현을 위해서 28 GHz 인 Ka-대역에서 CMOS를 이용한 위상 변위기와 가변 감쇄기를 포함하는 다채널 T/R 칩셋을 설계 및 제작 하였으며, 제작한 CMOS T/R 칩셋을 이용하여 패널 타입의 위상 배열 안테나를 구현함으로써 5G 구현에 핵심 솔루션을 제시 하였습니다.
Ka-band especially 28 GHz is an important candidate frequency band for 5G wireless communication. The beamforming system with compact size can be implemented due to high operating frequency. The phased array antenna using RF phase shifting is now well-proven technology up to millimeter wave frequenc...
Ka-band especially 28 GHz is an important candidate frequency band for 5G wireless communication. The beamforming system with compact size can be implemented due to high operating frequency. The phased array antenna using RF phase shifting is now well-proven technology up to millimeter wave frequency. Since the wavelength (~1cm @ 28 GHz) is very short, the high-level integration including multi-channel, digital control interface and bias circuitries in the T/R chipset is necessary to implement the N x N phased array antenna due to the small lattice distance between the antenna elements. In addition, the bi-directional operation in the T/R chipset is required since TDD is used in most of 5G systems. Recently, T/R chipsets are reported using SiGe BiCMOS technology at Ka-band. However, with many advantages such as low cost, high integration, and excellent switch performance, it is still difficult to implement a T / R chipset using CMOS technology. The T/R chipset is composed of a drive amplifier, a LNA, a 6-bit step attenuation and a 6-bit phase shifter including tuning bits. The switched type attenuator and phase shifter are implemented with DPDT switches using the body floating technique to improve the insertion loss and reduce the chip size. The attenuator and phase shifter are divided to three sections, and the bi-directional amplifiers are included to compensate the losses. The tuning bits of 1 dB, 0.5 dB and 5.6°are included to compensate for the amplitude and phase errors. The switched dual polarization mode can be support with a high isolation DPDT switch. Two 2-way Wilkinson power dividers are used at the 4-channel T/R chipset. In addition, the SPI controller and the bias circuits including BGR and LDO are integrated to simply the chip control and provide the stable DC bias. Phased array antenna designed probe feeding microstrip patch antenna and series feeding microstrip patch antenna. Traditionally, as shown in the Figure 1.6 implemented as brick-style T/R modules of phased array antenna, installed orthogonally to the array in metal housings. It is very bulky, heavy and limit range of platform. However, Printed antennas have been advantages about planar solution radiating system, which include reduced size, low cost and simply integrated active device. The radiating antennas are placed on one side of panel, and the entire beam forming electronics is mounted on the reverse side of the panel between the radiating antennas. So, phased array antenna configuration is simplified. Therefore, it is easy to fabricate phased array antenna with one PCB and designed CMOS T / R chipset. The printed circuit board (PCB) is laminated an RF substrate (εr = 6.15) and antenna substrate (εr = 2.17). RF substrate is needed high dielectric constant to reduce 50Ω line width. 4-channel bi-directional CMOS T/R chipsets are glued by COB (chip on the board), RF and DC Line are connected by wire bonding. PCB is designed minimum space from chip pad to RF line for reduce bond wire inductance. RF Line is direct connecting to microstrip patch antenna by PCB through hole via. The T/R chipset and RF line are connected by bonding. The T/R chipset is designed 50 Ω matching of input/output. However, input/output 50 Ω matching is effected inductance of bonding line. Therefore, 50 ohm matching was performed using a λ/4 transformer. In this thesis, a Ka-band 4-channel bi-directional T/R chipset using standard CMOS technology will be presented for 5G beamforming systems and the 1x8, 8x7 phased array antenna is also proposed with a Ka-band 4-channel bi-directional T/R chipset.
Ka-band especially 28 GHz is an important candidate frequency band for 5G wireless communication. The beamforming system with compact size can be implemented due to high operating frequency. The phased array antenna using RF phase shifting is now well-proven technology up to millimeter wave frequency. Since the wavelength (~1cm @ 28 GHz) is very short, the high-level integration including multi-channel, digital control interface and bias circuitries in the T/R chipset is necessary to implement the N x N phased array antenna due to the small lattice distance between the antenna elements. In addition, the bi-directional operation in the T/R chipset is required since TDD is used in most of 5G systems. Recently, T/R chipsets are reported using SiGe BiCMOS technology at Ka-band. However, with many advantages such as low cost, high integration, and excellent switch performance, it is still difficult to implement a T / R chipset using CMOS technology. The T/R chipset is composed of a drive amplifier, a LNA, a 6-bit step attenuation and a 6-bit phase shifter including tuning bits. The switched type attenuator and phase shifter are implemented with DPDT switches using the body floating technique to improve the insertion loss and reduce the chip size. The attenuator and phase shifter are divided to three sections, and the bi-directional amplifiers are included to compensate the losses. The tuning bits of 1 dB, 0.5 dB and 5.6°are included to compensate for the amplitude and phase errors. The switched dual polarization mode can be support with a high isolation DPDT switch. Two 2-way Wilkinson power dividers are used at the 4-channel T/R chipset. In addition, the SPI controller and the bias circuits including BGR and LDO are integrated to simply the chip control and provide the stable DC bias. Phased array antenna designed probe feeding microstrip patch antenna and series feeding microstrip patch antenna. Traditionally, as shown in the Figure 1.6 implemented as brick-style T/R modules of phased array antenna, installed orthogonally to the array in metal housings. It is very bulky, heavy and limit range of platform. However, Printed antennas have been advantages about planar solution radiating system, which include reduced size, low cost and simply integrated active device. The radiating antennas are placed on one side of panel, and the entire beam forming electronics is mounted on the reverse side of the panel between the radiating antennas. So, phased array antenna configuration is simplified. Therefore, it is easy to fabricate phased array antenna with one PCB and designed CMOS T / R chipset. The printed circuit board (PCB) is laminated an RF substrate (εr = 6.15) and antenna substrate (εr = 2.17). RF substrate is needed high dielectric constant to reduce 50Ω line width. 4-channel bi-directional CMOS T/R chipsets are glued by COB (chip on the board), RF and DC Line are connected by wire bonding. PCB is designed minimum space from chip pad to RF line for reduce bond wire inductance. RF Line is direct connecting to microstrip patch antenna by PCB through hole via. The T/R chipset and RF line are connected by bonding. The T/R chipset is designed 50 Ω matching of input/output. However, input/output 50 Ω matching is effected inductance of bonding line. Therefore, 50 ohm matching was performed using a λ/4 transformer. In this thesis, a Ka-band 4-channel bi-directional T/R chipset using standard CMOS technology will be presented for 5G beamforming systems and the 1x8, 8x7 phased array antenna is also proposed with a Ka-band 4-channel bi-directional T/R chipset.
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