[논문]77 GHz 대역 차량용 레이더의 프론트 엔드 모듈 설계

박상욱; 권만석; 감동근

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.4.487

77 GHz 대역 차량용 레이더의 프론트 엔드 모듈 설계
Design of 77-GHz Automotive Radar Frontend Modules 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.4, 2014년, pp.487 - 490

박상욱 (아주대학교 전자공학과) , 권만석 (아주대학교 전자공학과) , 감동근 (아주대학교 전자공학과)

초록
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본 논문은 와이어 본드와 도파관 전이 구조, 인쇄 회로 기판의 77 GHz 인터커넥트를 포함한 차량용 레이더의 프론트 엔드 모듈 설계를 제시한다.

Abstract AI-Helper

This paper describes a design of an automotive radar frontend module with taking care of the routing of 77-GHz signals on a printed circuit board including wire-bond and waveguide transitions....

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 상용 전자기 해석 툴을 사용하여 77 GHz 차량용 레이더의 프론트 엔드 모듈을 설계하는 방법을 제시했다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 잘 맞으므로, 이 설계 방법은 다른 밀리미터파 대역의 제품 개발에 그대로 적용할 수 있겠다.
본 논문에서는 저가의 상용 인쇄 회로 기판(PCB) 공정을 이용해 77 GHz 대역 차량용 레이더의 프론트 엔드 모듈을 설계하는 방법을 제시한다. 특히 안테나 설계^[2] 이후 와이어 본드와 도파관 전이 구조를 포함한 77 GHz 인터커넥트를 설계하는 방법을 주로 다룬다.

제안 방법

두 마이크로스트립 패턴이 길이만 다르고, 단면의 치수는 같을 때 본 추출 방법은 완벽하지만, 저가의 PCB 공정에서는 공정 오차로 인해 이러한 조건이 성립하지 않으므로 검은 선과 같이 편차를 보이게 마련이다. 따라서 그 추세를 Debye 모델로 근사한 값(빨간 선)을 추후 모듈 설계에 적용했다.

대상 데이터

Open cavity에 칩을 넣어 와이어 본드 길이를 최소화했다. 재료비를 줄이기 위해 고주파에서 손실이 적은 Taconic사의 TLY를 한 층에만 사용하고, 그 곳에 77 GHz 인터커넥트를 배치했다. 나머지 층은 저렴한 FR4를 사용하여 저속 신호와 전력 분배망을 배치했다.

이론/모형

그러나 얇은 유전체 시트에 도체가 부착되지 않은 채로 측정되기 때문에 conductor loss가 반영되지 않고, 특히 surface roughness를 고려하면 실제 PCB에 사용될 때와 비교해서 특성 차이가 많이 난다. 그래서 제안된 stack-up에 마이크로스트립 측정 패턴을 만들고, LiLj 방법^[4]을 이용해 TLY의 유전율을 측정했으며, 그 결과를 그림 2에 나타냈다. 두 마이크로스트립 패턴이 길이만 다르고, 단면의 치수는 같을 때 본 추출 방법은 완벽하지만, 저가의 PCB 공정에서는 공정 오차로 인해 이러한 조건이 성립하지 않으므로 검은 선과 같이 편차를 보이게 마련이다.

성능/효과

그러면 그림 3과 같이 λ/4 변환기를 설계할 수 있다. 고안된 매칭회로는 그림 4와 같이 76.5 GHz에서 S₂₁이 -1.47 dB로서, 매칭회로가 없을 때보다 S₂₁이 3 dB 이상 개선되었다.
본 모듈에는 Infineon사의 RTN7730과 RRN7740이 각각 송신, 수신 칩으로 사용되었는데, 와이어 본드의 큰 인덕턴스를 보상하기 위한 매칭회로가 필요하다. 차동 와이어 본드에 대해 77 GHz 대역에서 검증된 quasi-static 모델이 없어서 두 가지 상용 시뮬레이션 툴(HFSS, MWS)을 사용해서 와이어 본드의 기생 성분을 추출했고, 그 결과 S₂₁이 둘 다 -5 dB 정도로 비슷하게 나왔다. 만약 λ/4 변환기를 본딩 패드 바로 다음에 넣는다면 변환기에 필요한 임피던스는 매우 클 것이고(즉, 선폭은 매우 작을 것이고), 이는 저가의 PCB 공정으로 만들기 어렵다.

후속연구

본 논문에서는 상용 전자기 해석 툴을 사용하여 77 GHz 차량용 레이더의 프론트 엔드 모듈을 설계하는 방법을 제시했다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 잘 맞으므로, 이 설계 방법은 다른 밀리미터파 대역의 제품 개발에 그대로 적용할 수 있겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주행 안전에 핵심적인 기술로 떠오르고 있는 것은?	77 GHz 차량용 레이더 시스템은 주행 안전에 핵심적인 기술로 떠오르고 있으며, 이 기술이 대중화가 되기 위해서는 값싼 안테나와 패키징 솔루션이 필요하다. 평면 안테나는 값싼 공정으로 대량 생산하기에 적합하지만, 전기적 설계에 있어 몇 가지 극복해야 할 과제가 있다[1].
	77 GHz의 주파수에서 별도의 측정을 통해 유전율을 알아낸 방법은?	그러나 얇은 유전체 시트에 도체가 부착되지 않은 채로 측정되기 때문에 con- ductor loss가 반영되지 않고, 특히 surface roughness를 고려하면 실제 PCB에 사용될 때와 비교해서 특성 차이가 많이 난다. 그래서 제안된 stack-up에 마이크로스트립 측정 패턴을 만들고, LiLj 방법[4]을 이용해 TLY의 유전율을 측정했으며, 그 결과를 그림 2에 나타냈다. 두 마이크로스트립 패턴이 길이만 다르고, 단면의 치수는 같을 때 본 추출 방법은 완벽하지만, 저가의 PCB 공정에서는 공정 오차로 인해 이러한 조건이 성립하지 않으므로 검은 선과같이 편차를 보이게 마련이다.
	77 GHz 차량용 레이더 시스템이 대중화가 되는 데 필요한 것은?	77 GHz 차량용 레이더 시스템은 주행 안전에 핵심적인 기술로 떠오르고 있으며, 이 기술이 대중화가 되기 위해서는 값싼 안테나와 패키징 솔루션이 필요하다. 평면 안테나는 값싼 공정으로 대량 생산하기에 적합하지만, 전기적 설계에 있어 몇 가지 극복해야 할 과제가 있다[1].

참고문헌 (5)

J. Schoebel, P. Herrero, "Planar antenna technology for mm-wave automotive radar, sensing, and communications", Intech, 2010.
D. Shin, et al., "Design of low side lobe level millimeter-wave microstrip array antenna for automotive radar", 2013 Int'l Symp. Antennas and Propagation, Nanjing, China, pp. 677-680, Oct. 2013.
강진섭, 김정환, 조치현, 김대찬, "자유공간 물질상수 측정법을 이용한 W-band 유전율 측정", 한국전자파학회논문지, 24(3), pp. 253-258, 2013.

원문보기 상세보기
A. Mangan, et al., "De-embedding transmission line measurements for accurate modeling of IC designs", IEEE Trans. Electron Devices 53, pp. 235-241, 2006.

상세보기
K. Seo, "Planar microstrip-to-waveguide transition in millimter-wave band, Advancement in microstrip antennas with recent applications", Intech, 2013.

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