점대점 통신용의 60GHz 대역 무선 송수신기를 NRD(Non-Radiative Dielectric) 도파관 구조로 제작하였다. NRD 도파관을 구성하는 유전체 선로의 경우 재질이 무르기 때문에 정밀 가공이 쉽지 않고, 또 온도에 따른 수축팽창이 심해 공진 특성이 중요한 소자에 사용하기에 는 적합하지 않았다. 또한 NRD 도파관 구조로 증폭모듈을 구성하는 것이 어려웠는데, 본 논문에서는 위에서 언급된 문제를 극복 하고자 다음과 같은 방법으로 송수신기를 제작하였다. 기본적으로 NRD 도파관 구조를 유지하되, 공진특성이 중요하지 않은 소자들은 NRD 도파관 하이브리드 IC로, 공진특성이 중요한 소자들은 도파관으로 제작하고, 증폭기는 MMIC를 패키징하여 모듈화한 후에 NRD 도파관 내에 장착되도록 하였다. 제작된 송수신기는 FDD(Frequency Division Multiplexing) 방식으로 통신하며, 10dBm의 송신출력과 -60dBm의 최소 수신감도를 갖고 있다.
점대점 통신용의 60GHz 대역 무선 송수신기를 NRD(Non-Radiative Dielectric) 도파관 구조로 제작하였다. NRD 도파관을 구성하는 유전체 선로의 경우 재질이 무르기 때문에 정밀 가공이 쉽지 않고, 또 온도에 따른 수축팽창이 심해 공진 특성이 중요한 소자에 사용하기에 는 적합하지 않았다. 또한 NRD 도파관 구조로 증폭모듈을 구성하는 것이 어려웠는데, 본 논문에서는 위에서 언급된 문제를 극복 하고자 다음과 같은 방법으로 송수신기를 제작하였다. 기본적으로 NRD 도파관 구조를 유지하되, 공진특성이 중요하지 않은 소자들은 NRD 도파관 하이브리드 IC로, 공진특성이 중요한 소자들은 도파관으로 제작하고, 증폭기는 MMIC를 패키징하여 모듈화한 후에 NRD 도파관 내에 장착되도록 하였다. 제작된 송수신기는 FDD(Frequency Division Multiplexing) 방식으로 통신하며, 10dBm의 송신출력과 -60dBm의 최소 수신감도를 갖고 있다.
60GHz band RF transceiver was made with the NRD waveguide structure for the point- to-point communication. A dielectric line that of comprising NRD waveguide was the milling process was not easy because a material gets soft, and also compression and expansion according to a temperature were serious,...
60GHz band RF transceiver was made with the NRD waveguide structure for the point- to-point communication. A dielectric line that of comprising NRD waveguide was the milling process was not easy because a material gets soft, and also compression and expansion according to a temperature were serious, so this line was not suitable for the device in which the resonance characteristic was important. In addition, the thing for comprising amplification module was difficult in the NRD waveguide structure. In this paper, a way in which to overcome mentioned in upper part, the transceiver was made by below technology. Components in which the resonance characteristic was not important were made with the NRD waveguide hybrid IC, and components in which the resonance characteristic was important were made with waveguide. An amplifier packaged and modularizing the bare chip, it equipped at the NRD waveguide within. Manufactured transceiver communicated with FDD method, and it had 10dBm output power, and -60dBm minimum receive sensitivity.
60GHz band RF transceiver was made with the NRD waveguide structure for the point- to-point communication. A dielectric line that of comprising NRD waveguide was the milling process was not easy because a material gets soft, and also compression and expansion according to a temperature were serious, so this line was not suitable for the device in which the resonance characteristic was important. In addition, the thing for comprising amplification module was difficult in the NRD waveguide structure. In this paper, a way in which to overcome mentioned in upper part, the transceiver was made by below technology. Components in which the resonance characteristic was not important were made with the NRD waveguide hybrid IC, and components in which the resonance characteristic was important were made with waveguide. An amplifier packaged and modularizing the bare chip, it equipped at the NRD waveguide within. Manufactured transceiver communicated with FDD method, and it had 10dBm output power, and -60dBm minimum receive sensitivity.
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제안 방법
이러한 표준화 활동과는 별개로 IKm 이내의 무선망 구축을 위한 점대 점 (point-to-point) 통신용 무선 전송시스템은 이미 상용화되어 운용되고 있는데, 본 논문에서는 이용도의 60GHz 무선 송수신기를 NRD 도파관 구조로 설계 및 제작하였다. NRD 도파관 구조의 통신 장치는 구현의 편리성으로 인해 현재까지 꾸준히 연구 발표가 되고 있지만, 정작 실용화에는 이르지 못한 것으로 짐작되며, 수차례에 걸친 제작 및 검토 결과 다음의 주요한 두 가지 문제를 확인하였다.
구성 요소 중 ASK 변조기와 복조기는 NRD 도파관을 이용한 하이브리드 IC로 제작하였으며, 저 잡음증폭 모듈과 전력 증폭 모듈은 MMIC로 제작하였다. 송수신기는 FDD 방식으로 통신하며, 따라서 60GHz와 63GHz의 캐리어를 가진 송수신기를 한 쌍으로 제작하였다.
송수신기의 기본적인 골격은 NRD 도파관 구조를 유지하되, 공진특성이 중요하지 않은 소자들은 기존의 방법들과 동일하게 NRD 도파관 형태의 하이브리드 IC로 제작하고, 필터 등과 같이 공진특성이 절대적인 소자들은 도파관으로 제작하여 신뢰성과 가공성을 동시에 확보할 수 있도록 하였다. 또한 수신단의 저 잡음 증폭기 와 송신단의 전력 증폭기는 시판중인 MMIC를 패 키징하여 모듈화한 후 NRD 도파관 내에 장착하였는더], 이렇게 함으로써 규정에서 정한 최대 송신출력과 일정한 수준의 수신감도를 확보하였다.
변조기를 제작한 후 신호발생장치를 이용하여 LO와 기저 대역 신호를 인가하는 방식으로 변조시험을 진행하였는데, 그림 4에 60GHz 캐리어에 대한 시험결과를 나타내었다. 변조 특성에 있어서 진폭평탄도가 중요한데, 광대역 특성임을 고려하여 최종적으로 제작된 변조기는 평탄도를 3dB 이내로 맞추었다.
15mm로 다르다. 변조기를 제작한 후 신호발생장치를 이용하여 LO와 기저 대역 신호를 인가하는 방식으로 변조시험을 진행하였는데, 그림 4에 60GHz 캐리어에 대한 시험결과를 나타내었다. 변조 특성에 있어서 진폭평탄도가 중요한데, 광대역 특성임을 고려하여 최종적으로 제작된 변조기는 평탄도를 3dB 이내로 맞추었다.
구성 요소 중 ASK 변조기와 복조기는 NRD 도파관을 이용한 하이브리드 IC로 제작하였으며, 저 잡음증폭 모듈과 전력 증폭 모듈은 MMIC로 제작하였다. 송수신기는 FDD 방식으로 통신하며, 따라서 60GHz와 63GHz의 캐리어를 가진 송수신기를 한 쌍으로 제작하였다.
송수신기는 자체에 변복조 기능이 포함되어 있어 하나의 송수신기만으로 성능평가를 하는 데에는 한계가 있었으며, 쌍을 이루는 송수신기를 연결하여 링크시험을 진행해 가면서 평가하였다.
송신부의 경우 변조특성이 가장 중요한 파라미터인데, 스펙트럼분석기에 연결한 후 다이오드의 바이어스 조건을 미세 조정하는 방식으로 변조특성을 튜닝하였다. 그림 9에 최종 튜닝된 60GHz 송수신기의 출력신호를 나타내었다.
수신부는 복조기가 포함되어 있기 때문에 자체적인 성능평가는 한계가 있었기 때문에 그림 11과 같이 쌍을 이루는 송신기와 연결한 후 기저대역 신호의 전송에러를 검출하는 방식으로 시험을 진행하였다.
성능을 갖는 것으로 파악되었다. 아무튼 변조된 파형만으로 송수신기의 성능을 규정할 수는 없었고, 그림 11 과 같이 한 쌍으로 연결하여 전송성능 시험을 실시하는 것이 필요했는데, 이 과정에서 바이어스 조정등과 같은 최종 튜닝이 진행되었다. 이러한 일련의 과정을 통해 최종제작된 송수신기는 12dBm의 평균전력과 -60dBm의 최소수신감도를 갖는다.
앞장에서 언급된 주요 소자들이 결합된 형태로 60GHz 캐리어와 63GHz 캐리어를 가진 송수신기를 각각 제작하여 성능을 측정하였다. 송수신기를 구성하는 변조기, 복조기, 증폭기 등 개별소자들이 정합이 잘 이루어져 있는 관계로 이것들이 조합된 상태인 송수신기는 대체로 쉽게 제작이 가능하였다.
위에서 언급된 문제들을 극복하고 실용 가능한 송수신기를 구현하기 위하여 다음과 같은 방법으로 송수신기를 설계 및 제작하였다. 송수신기의 기본적인 골격은 NRD 도파관 구조를 유지하되, 공진특성이 중요하지 않은 소자들은 기존의 방법들과 동일하게 NRD 도파관 형태의 하이브리드 IC로 제작하고, 필터 등과 같이 공진특성이 절대적인 소자들은 도파관으로 제작하여 신뢰성과 가공성을 동시에 확보할 수 있도록 하였다.
한 복합구조로 제작하였다. 유전체선로의 낮은 가공성으로 인한 회로구성의 오차와 온도에 따른 특성 저하를 방지하기 위해 정밀을 요하는 소자는 도파관으로 대체하여 구현하였다. 또한 송수신기 내에 증폭모듈을 내장하여 전송거리를 확보할 수 있게 하였는더], 이렇게 함으로써 IKm 이내의 점대점 기가비트 무선랜에 적용할 수 있었다.
이러한 표준화 활동과는 별개로 IKm 이내의 무선망 구축을 위한 점대 점 (point-to-point) 통신용 무선 전송시스템은 이미 상용화되어 운용되고 있는데, 본 논문에서는 이용도의 60GHz 무선 송수신기를 NRD 도파관 구조로 설계 및 제작하였다. NRD 도파관 구조의 통신 장치는 구현의 편리성으로 인해 현재까지 꾸준히 연구 발표가 되고 있지만, 정작 실용화에는 이르지 못한 것으로 짐작되며, 수차례에 걸친 제작 및 검토 결과 다음의 주요한 두 가지 문제를 확인하였다.
점대점 통신용의 60GHz 송수신기를 NRD 도파관을 기본으로 한 복합구조로 제작하였다. 유전체선로의 낮은 가공성으로 인한 회로구성의 오차와 온도에 따른 특성 저하를 방지하기 위해 정밀을 요하는 소자는 도파관으로 대체하여 구현하였다.
또한 송수신기 내에 증폭모듈을 내장하여 전송거리를 확보할 수 있게 하였는더], 이렇게 함으로써 IKm 이내의 점대점 기가비트 무선랜에 적용할 수 있었다. 통신방식이 FDD이므로 서로 다른 주파수 대역을 갖는 한 쌍의 송수신기가 필요하여 이를 제작하였는데, 대역폭과듀플렉서의 성능 등을 고려하여 캐리어를 60GHz 와 63GHz로 결정하였다.
대상 데이터
저 잡음증폭 모듈은 Hittite사의 ALH382와 ABH209를그림 6과 같이 2단으로 연결하여 제작하였다. 송수신기를 구성하는 복조기가 정류검파기로써 동작하기 때문에 변환손실이 적도록 하기 위해서는 복조기에 높은 전력이 입력되도록 하는 것이 필요한데, 이 같은 이유로 증폭기를 2단 연결하여 이득이 높도록 구성하였다.
성능/효과
간략하면, 그림 3과 같이 회로를 구성한 다음 다이오드가 'ON'되도록 적절한 바이어스를 인가한 후 반사손실이 최저가 되는 고유전율 시트 두께를 정하고, 스펙트럼분석기로 변조 특성을 확인해 가면서 쇼트키 다이오드의 바이어스 조건을 정하는 것이다. 결과적으로 결정된 값은 60GHz의 경우, 고유전율 시트의 두께는 약 0.2mm이고 다이오드의 바이어스 조건은 0.7V에 8mA였으며, 63GHz에서는 동일한 바이어스 조건에서 고유전율 시트의 두께만 0.15mm로 다르다. 변조기를 제작한 후 신호발생장치를 이용하여 LO와 기저 대역 신호를 인가하는 방식으로 변조시험을 진행하였는데, 그림 4에 60GHz 캐리어에 대한 시험결과를 나타내었다.
그림 9와 그림 10의 송신 출력으로 판단했을 때 60GHz 송수신기가 63GHz 송수신기에 비해 우수한 성능을 갖는 것처럼 생각되었지만, 제작된 송수신기를 한 쌍으로 구성하여 데이터 전송시험을 한 결과 실제로는 거의 동일한 성능을 갖는 것으로 파악되었다. 아무튼 변조된 파형만으로 송수신기의 성능을 규정할 수는 없었고, 그림 11 과 같이 한 쌍으로 연결하여 전송성능 시험을 실시하는 것이 필요했는데, 이 과정에서 바이어스 조정등과 같은 최종 튜닝이 진행되었다.
둘째로, 구조상 증폭소자의 배치가 쉽지 않다는 것인데, 1981년 NRD 도파관이 처음 소개된 이래로 소자 구현과 관련된 수많은 연구논문들이 발표되었으나 이 구조로 증폭소자를 구현한 사례를 찾기가 힘들며, 구현된 경우도 연구를 위한 제작 단계 수준에 머물렀음을 통해 간접적으로 입증된다.
제작된 송수신기는 목표했던 송신출력과 수신감도를 달성하였으며, 오랜 시간이 경과하여도 특성의 변화가 예측 가능한 범위에 있음을 확인하였는데, 이 결과로부터 원래 설계했던 목적을 잘 달성하였다고 판단한다.
첫째로, NRD 도파관의 구성요소인 유전체선로의 재질이 너무 무르기 때문에 정밀 가공이 어려워 회로구현이 어렵고, 또한 온도에 따른 수축팽창이 심해 특정온도를 초과하는 경우에 공진 특성이 깨지는 현상을 발견하였는데 (본 연구에서는 약 -20도 이하, +50도 이상), 이는 외부 환경에 노출되는 장치에는 사실상 적용이 불가능함을 의미한다. 둘째로, 구조상 증폭소자의 배치가 쉽지 않다는 것인데, 1981년 NRD 도파관이 처음 소개된 이래로 소자 구현과 관련된 수많은 연구논문들이 발표되었으나 이 구조로 증폭소자를 구현한 사례를 찾기가 힘들며, 구현된 경우도 연구를 위한 제작 단계 수준에 머물렀음을 통해 간접적으로 입증된다.
참고문헌 (8)
K. Maruhashi, M. Itoh, K. Ohata, "A 60GHz-band Coplanar-MMIC Chipset for 500Mbps ASK Transceivers", IEEE GaAs Digest, pp.179-182, 2000.
P. F. M. Smulders, "60GHz Radio: prospects and future directions", Proceedings Symposium IEEE Benelux Chapter on Communications and Vehicular Technology, Eindhoven, pp.1-8, 2003.
W. A. Artuzi, Jr, T. Yoneyama, "A HEMT Amplifier for Nonradative Dielectric Waveguide Integrated Circuits", IEICE Transactions, Vol.74, No.5, pp.1185-1190, May 1991.
T. Goi, S. Kawasaki, et al, "NRD Guide Couplers Combined with Microwave Integrated Circuits in Side- by-Side Alignment", 1998 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Vol.46, pp.1301-1304, June, 1998.
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