본 논문에서는 $0.15{\mu}m$GaAs pHEMT 기술을 이용하여 FMCW(Frequency-modulated continuous-wave) 레이더용 W-band 단일칩 수신기 MMIC를 구현하였다. 제작된 수신기는 4 단 저잡음 증폭기, 하향 변환 혼합기, 3 단 LO버퍼 증폭기로 구성되어 있다. 수신기의 저잡음 특성과 선형성 향상을 위해 저잡음 증폭기의 성능을 최적화시켰다. 혼합기는 선형성 특성 및 낮은 IF 주파수에서 저잡음 특성을 위하여 저항성 혼합기로 설계하였다. W-대역에서 혼합기를 구동시키기 위해서는 높은 LO 입력이 요구되므로 추가적인 LO 버퍼 증폭기를 설계하였다. 단일칩 수신기의 측정 결과, RF 주파수 $f_0$ GHz, LO 입력 전력 -1 dBm, 그리고, IF 주파수 100 MHz에서, 6.2 dB의 변환 이득, 5.0 dB의 잡음 지수, 그리고, -12.8 dBm의 1-dB 이득 감쇄 입력 전력($P_{1dB,in}$) 등의 우수한 특성을 얻었다.
본 논문에서는 $0.15{\mu}m$ GaAs pHEMT 기술을 이용하여 FMCW(Frequency-modulated continuous-wave) 레이더용 W-band 단일칩 수신기 MMIC를 구현하였다. 제작된 수신기는 4 단 저잡음 증폭기, 하향 변환 혼합기, 3 단 LO 버퍼 증폭기로 구성되어 있다. 수신기의 저잡음 특성과 선형성 향상을 위해 저잡음 증폭기의 성능을 최적화시켰다. 혼합기는 선형성 특성 및 낮은 IF 주파수에서 저잡음 특성을 위하여 저항성 혼합기로 설계하였다. W-대역에서 혼합기를 구동시키기 위해서는 높은 LO 입력이 요구되므로 추가적인 LO 버퍼 증폭기를 설계하였다. 단일칩 수신기의 측정 결과, RF 주파수 $f_0$ GHz, LO 입력 전력 -1 dBm, 그리고, IF 주파수 100 MHz에서, 6.2 dB의 변환 이득, 5.0 dB의 잡음 지수, 그리고, -12.8 dBm의 1-dB 이득 감쇄 입력 전력($P_{1dB,in}$) 등의 우수한 특성을 얻었다.
In this paper, a W-band single-chip receiver MMIC for FMCW(Frequency-modulated continuous-wave) radar is presented using $0.15{\mu}m$ GaAs pHEMT technology. The receiver MMIC consists of a 4-stage low noise amplifier(LNA), a down-converting mixer and a 3-stage LO buffer amplifier. The LNA...
In this paper, a W-band single-chip receiver MMIC for FMCW(Frequency-modulated continuous-wave) radar is presented using $0.15{\mu}m$ GaAs pHEMT technology. The receiver MMIC consists of a 4-stage low noise amplifier(LNA), a down-converting mixer and a 3-stage LO buffer amplifier. The LNA is designed to exhibit a low noise figure and high linearity. A resistive mixer is adopted as a down-converting mixer in order to obtain high linearity and low noise performance at low IF. An additional LO buffer amplifier is also demonstrated to reduce the required LO power of the W-band mixer. The fabricated W-band single-chip receiver MMIC shows an excellent performance such as a conversion gain of 6.2 dB, a noise figure of 5.0 dB and input 1-dB compression point($P_{1dB,in}$) of -12.8 dBm, at the RF frequency of $f_0$ GHz, LO input power of -1 dBm and IF frequency of 100 MHz.
In this paper, a W-band single-chip receiver MMIC for FMCW(Frequency-modulated continuous-wave) radar is presented using $0.15{\mu}m$ GaAs pHEMT technology. The receiver MMIC consists of a 4-stage low noise amplifier(LNA), a down-converting mixer and a 3-stage LO buffer amplifier. The LNA is designed to exhibit a low noise figure and high linearity. A resistive mixer is adopted as a down-converting mixer in order to obtain high linearity and low noise performance at low IF. An additional LO buffer amplifier is also demonstrated to reduce the required LO power of the W-band mixer. The fabricated W-band single-chip receiver MMIC shows an excellent performance such as a conversion gain of 6.2 dB, a noise figure of 5.0 dB and input 1-dB compression point($P_{1dB,in}$) of -12.8 dBm, at the RF frequency of $f_0$ GHz, LO input power of -1 dBm and IF frequency of 100 MHz.
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문제 정의
W-대역과 같은 밀리미터파 대역에서 여러 칩을 패키징하여 시스템을 구성하게 되면, 패키징 손실에 의하여 시스템의 성능이 저하되고, 수율이 감소하며, 또한 크기도 증가하여 전체적인 시스템 제작 비용이 증가하는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 저잡음 증폭기, 혼합기, 그리고, LO 버퍼 증폭기를 단일칩으로 집적하여 이러한 문제를 최소화하고자 하였다[7]. LO 버퍼 증폭기는 필요한 LO 전력을 감소시키는 효과가 있다.
제안 방법
1 단에서 3 단까지의 트랜지스터는 소스 단자에 λ/13 길이를 갖는 피드백 라인을 연결하여 입력 임피던스 정합을 용이하도록 하였고, 낮은 잡음 지수와 동시에 우수한 입력 반사 손실(return loss) 특성을 갖도록 설계하였다[9～10].
저항성 혼합기에 사용된 트랜지스터의 크기는 2 ⨯ 75 μm 이며 소스 단자에 λ/30 길이의 전송선을 연결하여 선형성을 향상시켰다. LO 신호를 인가한 상태에서 LO 및 RF 입력단의 임피던스 정합회로를 설계하여 높은 변환 이득을 얻도록 하였다.
LO 입력 전력은 –1 dBm, RF 주파수는 f0 GHz, IF 주파수는 100 MHz인 상태에서 측정을 수행하였다.
개별 회로의 측정 결과를 토대로, 중심 주파수 f0 GHz, IF 주파수 100 MHz에서 전체 수신기 시스템의 성능을 예측하였다. 이득의 경우, LNA 이득은 17 dB, 혼합기의 이득은 -9.
게이트 및 드레인 바이어스 회로는 MIM 캐패시터 대신에 중심주파수 f0 GHz에서 λ/4 길이의 개방 스터브를 사용하여 설계하였다.
낮은 잡음 특성과 -10 dB 이상의 입력 반사 손실 특성을 얻기 위해 입력 정합 회로에 두 개의 개방 스터브(open stub)를 사용하였다. 게이트 및 드레인 바이어스 회로는 MIM 캐패시터 대신에 중심주파수 f0 GHz에서 λ/4 길이의 개방 스터브를 사용하여 설계하였다.
본 논문에서는 0.15 μm GaAs pHEMT 기술을 사용하여, 4 단 저잡음 증폭기, 하향 변환 혼합기와 3 단 LO 버퍼 증폭기로 구성된 W-대역 단일칩 수신기 MMIC를 설계하였다.
본 연구에서는 기존 연구와 비교하여 더 우수한 선형성 특성(즉, 높은 1-dB 이득 감쇄 출력 전력)과 낮은 잡음 지수 특성을 갖는 FMCW 레이더 수신기 설계를 위하여 GaAs pHEMT 공정을 이용하였다. 전체 수신기 시스템의 선형성을 개선시키기 위해 저잡음 증폭기의 마지막 단에 캐스코드(cascode) 단을 사용 하였다.
여러 크기의 트랜지스터의 잡음 특성을 비교하여 가장 우수한 잡음 특성을 가지는 4 × 25 μm 크기의 트랜지스터를 저잡음 증폭기 설계에 이용하였다.
8 dB로 예상된다. 이렇게 예상된 전체 수신기의 특성은 설계 사양을 만족하므로, 개별 회로의 집적화를 통해 단일칩 수신기 MMIC를 설계하였다.
15 μm GaAs pHEMT 기술을 사용하여, 4 단 저잡음 증폭기, 하향 변환 혼합기와 3 단 LO 버퍼 증폭기로 구성된 W-대역 단일칩 수신기 MMIC를 설계하였다. 저잡음 특성과 선형성이 우수한 수신기 구현을 위하여 저잡음 증폭기 및 저항성 혼합기의 설계를 최적화하였다.
4 × 25 μm 크기의 공통 소스 FET를 사용하여 3단으로 설계하였다. 저항성 하향 변환 혼합기를 구동하기 위한 LO 전력이 8 dBm 이상인 것을 감안하여, 10 dBm 정도의 출력을 내고 광대역 특성을 갖도록 설계하였다.
제작된 W-대역 저잡음 증폭기는 온 웨이퍼 상에서 150 μm-피치 GSG RF 프로브와 회로에 적합한 DC 프로브를 이용하여 측정하였다.
회로 설계에 사용한 전송선은 GCPW(ground coplanar waveguide) 구조이며, Agilent ADS(Advanced Design System)의 Momentum을 사용하여 GCPW 라인을 설계 및 분석하였다.
대상 데이터
4 × 25 μm 크기의 공통 소스 FET를 사용하여 3단으로 설계하였다.
그림 12는 제작된 W-대역 단일칩 수신기 MMIC의 측정결과를 보여준다. W-대역 수신기의 변환이득을 측정하기 위해서 W-대역 소스 모듈(Agilent E8257DS10)과 W-대역 전력 센서(Agilent W8486A)를 이용하였다. LO 입력 전력은 –1 dBm, RF 주파수는 f0 GHz, IF 주파수는 100 MHz인 상태에서 측정을 수행하였다.
설계된 W-band 단일칩 수신기 MMIC는 0.15 μm GaAs pHEMT 상용 파운드리(WIN semiconductors Corp.)를 이용하여 제작되었다[8].
잡음 지수는 잡음 분석기(Agilent N8975A)와 W-대역 잡음 소스(Noisecom NC5110)를 사용하여 측정하였다. IF 주파수에 따라 측정된 잡음 지수를 그림 12 (e)에 제시하였다.
성능/효과
RF와 LO 단자의 반사 손실은 네트웍 분석기 (Agilent 8510XF)를 이용하여 소신호에서 측정하였으며 그림 12 (f)에 나와 있다. f0 GHz에서 RF 단자의 반사 손실은 -12 dB, LO 단자의 반사 손실은 -17 dB로 임피던스 정합이 잘 되었음을 확인하였다.
그림 6은 혼합기의 시뮬레이션 및 측정된 변환이득을 나타낸다. 게이트 바이어스 전압 Vgg = -1.0 V, LO 입력 전력 10 dBm, RF 주파수 f0 GHz, IF 주파수 100 MHz에서, -9.1 dB의 변환 이득 특성을 가지며, P1dB,in은 5 dBm 이상으로 측정되었다. 장비의 한계로 그 이상의 RF 입력 전력은 인가하지 못하였다.
게이트 및 드레인 바이어스 회로는 MIM 캐패시터 대신에 중심주파수 f0 GHz에서 λ/4 길이의 개방 스터브를 사용하여 설계하였다. 그리고 바이어스 회로에 저항(R1)을 삽입하여 저주파에서 전체 회로의 안정도를 높였다.
전체 수신기 시스템의 선형성을 개선시키기 위해 저잡음 증폭기의 마지막 단에 캐스코드(cascode) 단을 사용 하였다. 또한, 혼합기로는 선형성이 우수한 저항성 혼합기를 사용하였으며, 면적이 넓은 트랜지스터와 소스 피드백을 사용하여 선형성을 더욱 향상시켰다.
즉, 전체 수신기의 P1dB,in은 LNA에 의해서 제한된다. 마지막으로, 잡음지수의 경우, LNA의 잡음 지수는 5.5 dB, 혼합기는 11.3 dB로 측정되었으며, 전체 수신기의 잡음 지수는 5.8 dB로 예상된다. 이렇게 예상된 전체 수신기의 특성은 설계 사양을 만족하므로, 개별 회로의 집적화를 통해 단일칩 수신기 MMIC를 설계하였다.
LO 버퍼 증폭기는 필요한 LO 전력을 감소시키는 효과가 있다. 이렇게 설계된 단일칩의 측정 결과, W-대역에서 6.2 dB의 변환이득, -12.8 dBm의 높은 1-dB 이득 감쇄 입력 전력 특성, 그리고 5.0 dB의 우수한 잡음 특성을 얻을 수 있었다.
제작된 수신기 MMIC의 측정 결과, 100 MHz의 IF 주파수에서 6.2 dB의 변환이득과 -12.8 dBm의 1-dB 이득 감쇄 입력 전력 특성을 얻었으며, 5.0 dB의 우수한 잡음 특성을 얻었다.
그림 9는 시뮬레이션 및 측정된 산란 계수, 중심 주파수에서 측정된 입출력 전력 및 이득 특성을 보여준다. 중심 주파수에서 이득은 13.3 dB이며, 입력 반사 손실은 -12.6 dB, 출력 반사 손실은 -4.7 dB이다. 출력 P1dB는 9.
7 dB이다. 출력 P1dB는 9.2 dBm으로 측정되었으며, 최대 출력 전력은 10 dBm 이상으로 혼합기를 구동하기에 충분함을 알 수 있다.
그림 3은 시뮬레이션 및 측정된 산란 계수(S-parameters), 중심주파수에서 측정된 입출력 전력 및 잡음 지수 측정 결과를 보여준다. 측정 결과, 중심 주파수 f0 GHz에서 이득(S21)은 17 dB, 입력 반사 손실(S11)은 -17 dB, 출력 반사 손실(S22)은 -10 dB였으며, 측정된 1-dB 이득 감쇄 입력 전력(P1dB,in)은 -11.7 dBm, 잡음 지수는 5.5 dB로 우수하였다. FMCW 레이더 시스템의 경우 RF 주파수가 (f0 - 0.
캐스코드 셀의 공통 소스 FET의 드레인과 공통 게이트 FET의 소스 사이에 λ/6 길이의 라인을 연결하여, 캐스코드 셀의 안정도를 높였다.
표 1은 보고된 밀리미터파 수신기 MMIC의 성능을 비교한 것으로, 본 연구에서 설계된 W-대역 수신기 MMIC가 성능과 크기 면에서 우수함을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서 개발된 수신기 MMIC는 높은 수율과 낮은 가격으로 W-대역 FMCW 레이더를 구현하는데 유용하게 사용될 것으로 기대한다.
후속연구
표 1은 보고된 밀리미터파 수신기 MMIC의 성능을 비교한 것으로, 본 연구에서 설계된 W-대역 수신기 MMIC가 성능과 크기 면에서 우수함을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서 개발된 수신기 MMIC는 높은 수율과 낮은 가격으로 W-대역 FMCW 레이더를 구현하는데 유용하게 사용될 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 널리 이용되고 있는 차량용 레이더 시스템에는 어떠한 것들이 있는가?
차량용 레이더 기술은 1970년대 초부터 개발이 시작 되어, 1980년대 후반부터는 밀리미터파를 이용한 레이더 방식이 널리 보급되고 있다. 현재 널리 이용되고 있는 차량용 레이더 시스템으로는 FMCW(Frequency -modulated continuous-wave) 방식의 W-대역 LRR (Long Range Radar)가 있고, 펄스 도플러(Pulse Doppler) 방식의 K-대역 SRR(Short Range Radar)가 있다. 하지만, 최근 유럽에서는 차량용 레이더 주파수를 2013년대 중반부터 W-대역으로 제한함에 따라, W-대역 SRR와 W-대역 LRR를 목표로 저렴한 가격에 좋은 성능을 가진 레이더 시스템 개발 연구가 활발히 진행되고 있다[1～4].
Homodyne 방식을 사용하는 FMCW 레이더 시스템은 어떠한 요소에 영향을 받는가?
Homodyne 방식을 사용하는 FMCW 레이더 시스템의 경우, 100 MHz 이하의 낮은 IF 주파수 대역을 사용 한다. 특히 수신기의 성능 지표인 민감도와 탐지 거리는 수신기의 잡음 특성에 의해 결정되며, 낮은 IF 주파수에서 잡음 지수는 수신기를 구성하는 혼합기의 잡음 특성에 의해 큰 영향을 받는다. 그리고 차량용 레이더 에서는 근거리 탐지 대상으로부터 반사된 큰 신호가 수신기에 유입되어도 선형적인 동작을 할 수 있도록 넓은 다이나믹 레인지(dynamic range)가 필수적으로 요구되며, 따라서, 수신기를 구성하는 저잡음 증폭기와 혼합기의 선형성 또한 우수해야 한다[5].
W-대역의 FMCW 레이더 시스템용 MMIC은 어떠한 공정에 이용되고 있는가?
W-대역의 FMCW 레이더 시스템용 MMIC는 주로Ⅲ-Ⅴ계열의 화합물 반도체 공정을 이용하여 제작되어 왔으며, 최근에는 SiGe-BiCMOS 공정과 CMOS 공정도 이용되고 있다[6].
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