[논문]60GHz 빔포밍 트랜시버 기술 연구

박경환; 박성수; 안광호; 김기진; 김영진; 류승탁; 유종원

60GHz 빔포밍 트랜시버 기술 연구 원문보기

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.29 no.11, 2012년, pp.81 - 93

박경환 (한국전자통신연구원) , 박성수 (한국전자통신연구원) , 안광호 (전자부품연구원) , 김기진 (전자부품연구원) , 김영진 (한국항공대학교) , 류승탁 (한국과학기술원) , 유종원 (한국과학기술원)

초록
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60GHz 주파수는 최대 9GHz 까지 엄청난 대역폭을 활용하여 Gbps급의 무선전송이 가능한 대역으로서, 최근 이 대역을 댁내 무선전송장치 및 초고속 무선랜에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같이 60GHz에 대한 관심도가 높아진 이유는, 밀리미터파 통신이 기존에는 무선 백홀용으로 주로 사용되었던것에 비해 지금은 가정 및 사무실내에서의 초고속 네트워크 또는 영상가전에서의 무선 전송장치 등 응용분야의 다변화가 예상됨에 따라, ISM 대역이면서 광대역을 활용할 수 있는 60GHz가 급부상하게 된 것으로 본다. 이와 함께 CMOS 칩기술의 꾸준한 발전으로 현재는 수 십 나노공정을 이용하여 테라헤르쯔 대역에서도 동작하는 칩이 발표되고 있는 바 그동안 60GHz 시장 확산의 가장 큰 걸림돌이 었던 무선 전송장치의 높은 가격, 사이즈, 소모전력의 문제를 한꺼번에 해결할 수 있게 된 점도 이유중 하나이다. 따라서 이와 관련하여 본고에서는 ETRI와 KETI를 중심으로 진행되어 온 "60GHz 무선 전송장치에 탑재 가능한 범용 CMOS 송수신 칩 및 이를 활용한 빔포밍 트랜시버 기술에 관한 연구"를 소개하고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 다룬 60GHz 빔포밍 트랜시버 기술은 휴대폰 및 스마트폰 분야에서 무선 부품을 전적으로 수입에 의존하고 있는 현 시점에서 경쟁력 있는 국내의 통신기술과 반도체기술을 바탕으로 60GHz 트랜시버 분야에서 선두에 서길 희망해 본다.
따라서 본고에서는 이러한 60GHz 빔포밍 트랜시버를 구현하기 위한 CMOS 칩 기술, 배열안테나 기술을 중심으로 내용을 전개하고자 한다. 이를 위한 배경설명으로 제2장에서 60GHz 표준화 동향과 관련 기술 및 최신 제품 동향을 제시하고 제3장에서는 멀티표준을 지원하는 시스템 설계 기술에 대해 설명하였다.
고속 ADC/DAC는 Gbps급 인터페이스를 위해선 필수이다. 본 논문에서는 6 bits 3GS/s급의 ADC/DAC IP를 개발하여 모뎀 ASIC에 내장할 수 있도록 하였다.
지금까지 60GHz 빔포밍 트랜시버 기술에 대해 살펴 보았다. 이전에는 상상하지 못했던 CMOS 칩의 60GHz 더 나아가 77GHz에서의 활용은 막혀있던 밀리미터파통신시장 확산의 가장 큰 활력소가 되고 있다.

제안 방법

P&R후 전송선로의 불연속에 따른 반사계수, 교차선로간 상호간섭 등을 EM시뮬레이션을 통해 분석하고 Lumped 모델화하여 Post 시뮬레이션에 반영하였다.
Off-Chip RF/Antenna 배열은 60GHz에서는 손실요소가 너무 크기 때문에, 송신 4개, 수신4개 배열을 칩 안에 모두 넣었다. 관련하여 on-chip Wilkinson Divider/Combiner를 믹서와 RF 배열사이에 넣었으며 각 배열에는 Divider 손실을 보상하기 위한 Driver Amplifier를 별도로 포함시켰다. 아울러기 검증된 PLL 블록의 검증된 루프필터 값을 근거로 이 회로까지 칩에 내장함으로써 완성된 트랜시버 단일칩의 외부 인터페이스는 송신RF 4개, 수신 RF 4개, 송신 베이스밴드 I/Q 2개, 수신 베이스밴드 I/Q 2개, I2 C 제어핀, Crystal 입력핀 외에 전원/접지핀으로 구성되어 어플리케이션 회로가 없어서 모듈 구현이 매우 간단하다.
광대역 구현을 위해 두껍고 고유전율 기판을 사용하여 안테나 표면에 LTCC Cavity를 삽입한 과 같은 Double Patch 안테나 구조를 사용하였다.
CMOS 기반으로 60GHz 주파수를 생성하는 발진기는 보통 출력이 낮거나 주파수 안정도가 떨어지게 되어 구현하는 것이 쉽지 않다. 따라서 Sliding IF 방식의 하모닉 믹서 구조를 채용하여, 안정적이고 충분한 출력을 갖는 20GHz VCO를 설계하고 이를 3체배하는 방식으로 60GHz 대역의 주파수를 만들도록 하였다. <그림 9>의 송수신칩은 송신:수신=4:4인 RF 배열과 I/Q Mixer 및 아날로그 회로를 포함하고 있다.
LTCC기판에서의 마이크로스트립라인은 60GHz 신호의 상대적으로 짧은 파장으로 인해 전송선이 길어질 때 전력이 방사되는 현상이 발생된다. 따라서 방사되는 전계의 이탈을 막기 위해 마이크로스트립과 Coplanar Waveguide를 결합한 CBCPW(Conductor Backed Coplanar Waveguide)를 사용하여 전송선의 손실을 대폭 줄이도록 하였다.
따라서 와 같이 칩/전송선/급전회로/안테나가 적층 구조를 갖도록 하여 칩과 안테나와의 거리를 최소화 하도록 하며 LTCC 안테나와 일체화된 LTCC 적층회로를 설계하였다.
따라서 의 빔포밍 트랜시버를 구현함에 있어 CMOS 단일 송수신칩과 배열안테나만으로 구성 하였다.
먼저 고속 ADC를 살펴보면, 고속 Flash type을 채용하여 고속동작과 저전력을 구현하였다. 제안된 구조는 래치의 입력 신호와 기준전압의 차에 의해 비교기의 출력이 나타나는 시간에 차이가 있음을 이용하여, 이웃하는 첫 번째 단 래치의 출력을 시간영역에서 인터폴레이션을 함으로써, 첫 번째단 래치의수를 반으로 줄이도록 한 것이다 [32].
본 논문에서는 송신/수신에서 각각 상하좌우 빔탐색 및 빔포밍이 가능하도록 와 같은 2×2 인 2차원 배열안테나와 빔폭을 줄여 빔포밍 이득을 높인 4×2 (상하 빔방향은 고정)인 1차원 배열안테나를 의 송수신칩과 연결하도록 하였다.
빔포밍을 수행하기 위해서는 이전에 빔탐색이 이루어져야 하며 이를 위한 3단계 알고리즘을 적용하였다. <그림 12>에서 보여주는 바와 같이 1단계로 2 array scan으로 main-sector level 탐색을 한 후 2단계로 해당 섹터에서 4 array scan으로 sub-sector level 탐색을 한다.
이는 채널본딩이 라는 기술로서 이를 지원하기 위해서는 독립적인 Mixer/PLL/ Analog 구조를 가져야 한다. 빔포밍을 위한 배열과 본딩을 위한 별도의 Mixer/PLL/Analog path를 모두 구현하기에는 구조가 너무 복잡하게 되므로 본 논문에서는 채널본딩기능을 넣지 않았다.
세 표준 모두 SC (Single Carrier) 방식과 OFDM 방식을 채용하고 있기 때문에 에서와 같이 시스템 시뮬레이션에 필요한 파라미터를 SC 모드와 OFDM모드에 대해 추출하여 한 시뮬레이션을 수행하였다.
한편, 이 60GHz 빔포밍 트랜시버는 멀티표준을 지원하도록 하였다. 이를 위해 주요 표준인 IEEE802.15.3c, IEEE802.11ad, ECMA-387의 물리계층 규격으로부터 공통 적인 요소로 분류할 수 있는 주파수 및 채널 규격과 두 종류의 변복조 방식(OFDM, SC) 파라미터를 트랜시버 설계에 반영하였다. <표 3>은 각 표준의 변조방식과 채널코딩, 그리고 전송률 등의 주요 사양을 비교한 내용을 보여주고 있다.
이를 증명하기 위해 의 배열신호를 두 개의 CW 신호로 가정하여 광대역신호에 대한 배열합성을 수식전개해 보았다.
이와 같은 구조에도 여러 손실요소가 있게 마련인데 Bumping -Ball, Wire-Bonding, Via-Ground 등이 있으며 본 논문에서는 임피던스 매칭을 위해 EM 시뮬레이션과 보드 측정을 통해 과 같은 Calibrated Transition 회로를 삽입하였다.
먼저 고속 ADC를 살펴보면, 고속 Flash type을 채용하여 고속동작과 저전력을 구현하였다. 제안된 구조는 래치의 입력 신호와 기준전압의 차에 의해 비교기의 출력이 나타나는 시간에 차이가 있음을 이용하여, 이웃하는 첫 번째 단 래치의 출력을 시간영역에서 인터폴레이션을 함으로써, 첫 번째단 래치의수를 반으로 줄이도록 한 것이다 [32]. 이 제안된 기술은 많은 이점이 있는데, 전력소모를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 THA의 출력 capacitance가 줄어들어 고속 동작에 용이해지고, 또한 calibration logic이 간소화 되어 칩의 면적을 줄일 수 있다.
25°가 된다. 제어신호는 송수신칩 외부 (제어보드 또는 베이스밴드 모뎀칩)로부터 받도록 되어 있으므로 80 bits를 대한 제어핀을 줄이기 위해 직렬 인터페이스인 I²C 제어방식을 적용하였다.
칩 설계는 능동소자와 수동소자의 측정값에 기초하여 모델링과 PDK의 보완을 병행하였다. P&R후 전송선로의 불연속에 따른 반사계수, 교차선로간 상호간섭 등을 EM시뮬레이션을 통해 분석하고 Lumped 모델화하여 Post 시뮬레이션에 반영하였다.
변복조 파라미터는 트랜시버에 있어서 Zero IF 구조 사용, in-band spurious 기준 준수, 그리고 최종 수신단 출력에서의 required SNR 값에 영향을 미치게 된다. 특히 required SNR 값은 전송속도와 변조율에 따라 달라지기 때문에 모드별로 트랜시버를 포함한 시스템 시뮬레이션을 수행하여 설계사양에 대한 신뢰도를 검증하였다.

대상 데이터

따라서 60GHz에서 가용 대역폭(최대 9GHz)이 넓더라도 하나의 채널대역폭을 넓게 하면 배열합성시 위상동기가 맞지 않는 스펙트럼이 영역 존재하여 신호의 왜곡이 발생된다. 따라서본 논문의 빔포밍 트랜시버에서는 채널대역폭을 Chip Rate에 해당하는 1.76GHz를 사용하기로 하였다. 본 논문에서 구상한 빔포밍을 지원하는 트랜시버 구조도는 <그림 5>와 같다.

성능/효과

결론적으로, 라 하더라도 번째 배열신호의 스펙트럼 에지에서는 [rad] 위상차를 보인다. 따라서 밀리미터파의 경우 이지만 대역폭 절대값가 크기 때문에 배열간 위상차가 커질 수 있다.
1 GS/s의 샘플링 주파수와 Nyquist 출력 신호에서 측정한 SFDR 결과이다. 낮은 출력 신호 주파수에 대해서 47 dB 이상의 SFDR 성능을 보였고, Nyquist 출력 신호에서도 37 dB 이상의 안정적인 성능을 확인하였다.
그림 10. 60GHz 안테나 방사소자

방사이득은 측정결과 4.5dBi 정도로 57~64GHz 구간 내에서 시뮬레이션 및 측정치 모두 기준인 2dBi를 만족시키는 것을 확인할 수 있었다. 이 방사소자를 사용하여 4×2 배열을 구성 하면 급전위상변화에 따라 <그림 11>처럼 원하는 각도에 고이득 빔이 형성된다.
따라서 <그림 14>와 같이 칩/전송선/급전회로/안테나가 적층 구조를 갖도록 하여 칩과 안테나와의 거리를 최소화 하도록 하며 LTCC 안테나와 일체화된 LTCC 적층회로를 설계하였다. 아울러 칩-LTCC기판간 본딩은 와이어본딩대신 플립칩 본딩으로 기생효과에 의한 성능열화를 최소화하였다.
제안된 구조는 래치의 입력 신호와 기준전압의 차에 의해 비교기의 출력이 나타나는 시간에 차이가 있음을 이용하여, 이웃하는 첫 번째 단 래치의 출력을 시간영역에서 인터폴레이션을 함으로써, 첫 번째단 래치의수를 반으로 줄이도록 한 것이다 [32]. 이 제안된 기술은 많은 이점이 있는데, 전력소모를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 THA의 출력 capacitance가 줄어들어 고속 동작에 용이해지고, 또한 calibration logic이 간소화 되어 칩의 면적을 줄일 수 있다.

후속연구

현재 스마트폰의 HD급 동영상을 TV로 스트리밍 전송 하는 데에는 Wi-Fi를 활용하고 있으나 이 칩을 탑재하면 60GHz 기술을 사용하여 10배의 고속 스트리밍이 가능하다는 것이다. 따라서 향후 60GHz 칩 개발방향이 모바일에 맞춰 저전력, 소형화 이슈가 더 부각될 것으로 예상된다.

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상세보기
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