본 논문은 65-nm Complemetary Metal-Oxide-Semiconductor(CMOS) 공정으로 설계한 송신 1채널, 수신 2채널을 내장한 24 GHz 송수신 칩과 이 칩을 이용하여 제작한 24 GHz Frequency Modulated Continuous Wave(FMCW) 레이다 모듈을 제시한다. CMOS 송수신 칩은 14체배기, 저잡음 증폭기, 하향 변환 믹서, 전력 증폭기를 포함하고 있다. 송신 출력은 23.8~24.36 GHz 대역에서 10 dBm 이상이며, 위상 잡음은 1 MHz 오프셋에서 -97.3 dBc/Hz이다. 수신기는 25.2 dB의 변환 이득과 -31.7 dBm의 $P_{1dB}$를 갖는다. 송수신 칩은 모두 합해 295 mW를 소모하고 $1.63{\times}1.6mm^2$의 면적을 차지한다. 레이다 시스템은 FR4 기판과 저손실 듀로이드 기판을 적층하여, 저손실 기판위에 칩과 안테나 및 고주파 전송선을 배치하고, 바이어스 회로와 이득 블록, FMCW 신호 발생 블록은 FR4 기판에 집적하여 하나의 레이다 모듈을 구성하였다. 안테나는 패치 형태로 송신 안테나는 $4{\times}4$패치 안테나로 14.76 dBi의 안테나 이득을 수신 안테나는 $4{\times}2$ 패치 안테나로 11.77 dBi의 안테나 이득을 구현하였다. 코너 리플렉터를 사용하여 거리 및 방위각 탐지 실험을 수행하였고, 정상 동작을 확인하였다.
본 논문은 65-nm Complemetary Metal-Oxide-Semiconductor(CMOS) 공정으로 설계한 송신 1채널, 수신 2채널을 내장한 24 GHz 송수신 칩과 이 칩을 이용하여 제작한 24 GHz Frequency Modulated Continuous Wave(FMCW) 레이다 모듈을 제시한다. CMOS 송수신 칩은 14체배기, 저잡음 증폭기, 하향 변환 믹서, 전력 증폭기를 포함하고 있다. 송신 출력은 23.8~24.36 GHz 대역에서 10 dBm 이상이며, 위상 잡음은 1 MHz 오프셋에서 -97.3 dBc/Hz이다. 수신기는 25.2 dB의 변환 이득과 -31.7 dBm의 $P_{1dB}$를 갖는다. 송수신 칩은 모두 합해 295 mW를 소모하고 $1.63{\times}1.6mm^2$의 면적을 차지한다. 레이다 시스템은 FR4 기판과 저손실 듀로이드 기판을 적층하여, 저손실 기판위에 칩과 안테나 및 고주파 전송선을 배치하고, 바이어스 회로와 이득 블록, FMCW 신호 발생 블록은 FR4 기판에 집적하여 하나의 레이다 모듈을 구성하였다. 안테나는 패치 형태로 송신 안테나는 $4{\times}4$ 패치 안테나로 14.76 dBi의 안테나 이득을 수신 안테나는 $4{\times}2$ 패치 안테나로 11.77 dBi의 안테나 이득을 구현하였다. 코너 리플렉터를 사용하여 거리 및 방위각 탐지 실험을 수행하였고, 정상 동작을 확인하였다.
This paper presents a 24-GHz frequency-modulated continuous wave(FMCW) radar transceiver with two Rx and one Tx channels in 65-nm complementary metal-oxide-semiconductor(CMOS) process and implemented it on a radar system using the developed transceiver chip. The transceiver chip includes a $14{...
This paper presents a 24-GHz frequency-modulated continuous wave(FMCW) radar transceiver with two Rx and one Tx channels in 65-nm complementary metal-oxide-semiconductor(CMOS) process and implemented it on a radar system using the developed transceiver chip. The transceiver chip includes a $14{\times}$ frequency multiplier, low-noise amplifier, down-conversion mixer, and power amplifier(PA). The transmitter achieves >10 dBm output power from 23.8 to 24.36 GHz and the phase noise is -97.3 GHz/Hz at a 1-MHz offset. The receiver achieves 25.2 dB conversion gain and output $P_{1dB}$ of -31.7 dBm. The transceiver consumes 295 mW of power and occupies an area of $1.63{\times}1.6mm^2$. The radar system is fabricated on a low-loss Duroid printed circuit board(PCB) stacked on the low-cost FR4 PCBs. The chip and antenna are placed on the Duroid PCB with interconnects and bias, gain blocks and FMCW signal-generating circuitry are mounted on the FR4 PCB. The transmit antenna is a $4{\times}4$ patch array with 14.76 dBi gain and receiving antennas are two $4{\times}2$ patch antennas with a gain of 11.77 dBi. The operation of the radar is evaluated and confirmed by detecting the range and azimuthal angle of the corner reflectors.
This paper presents a 24-GHz frequency-modulated continuous wave(FMCW) radar transceiver with two Rx and one Tx channels in 65-nm complementary metal-oxide-semiconductor(CMOS) process and implemented it on a radar system using the developed transceiver chip. The transceiver chip includes a $14{\times}$ frequency multiplier, low-noise amplifier, down-conversion mixer, and power amplifier(PA). The transmitter achieves >10 dBm output power from 23.8 to 24.36 GHz and the phase noise is -97.3 GHz/Hz at a 1-MHz offset. The receiver achieves 25.2 dB conversion gain and output $P_{1dB}$ of -31.7 dBm. The transceiver consumes 295 mW of power and occupies an area of $1.63{\times}1.6mm^2$. The radar system is fabricated on a low-loss Duroid printed circuit board(PCB) stacked on the low-cost FR4 PCBs. The chip and antenna are placed on the Duroid PCB with interconnects and bias, gain blocks and FMCW signal-generating circuitry are mounted on the FR4 PCB. The transmit antenna is a $4{\times}4$ patch array with 14.76 dBi gain and receiving antennas are two $4{\times}2$ patch antennas with a gain of 11.77 dBi. The operation of the radar is evaluated and confirmed by detecting the range and azimuthal angle of the corner reflectors.
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문제 정의
특히 24 GHz 대역은 주변 물체의 속도와 거리를 탐지하기 위해 측방과 후방의 근거리 레이다에 사용되고 있으며, 자동차뿐만 아니라, 생활 감시 레이다로서도 활발히 연구되고 있다[1]～[4]. 본 논문에서는 65-nm CMOS 공정으로 개발한 FMCW 레이다 송수신기 칩과 이 칩을 이용하여 개발한 24 GHz FMCW 레이다 모듈을 제시한다.
본 논문에서는 모듈 구성을 쉽게 하기위해 안테나는 패치 안테나로 설계하였다. 패치 안테나는 그림 9와 같이 레이다 모듈의 상부에 배치되며, 패턴은 동일한 송수신 안테나를 독립적으로 제작하여 측정하였다.
제안 방법
9 m2의 RCS을 놓은 후 레이다로 측정한 거리와 각도 측정 결과이다. 각 표적에 대해 거리는 IF 주파수를 이용하여 계산하였고, 2채널 수신기 출력의 위상 차로부터 각도를 추정하였다. 수신 전력은 식(3)으로 계산된다.
본 논문은 삼성 65-nm CMOS 공정을 이용하여 개발한 24 GHz 1Tx-2Rx FMCW 칩을 설계 및 제작하였다. 또한 송수신 패치 배열 안테나와 자체 제작한 레이다 칩을 저손실 기판 동평면에 배치하고, 저주파의 바이어스 회로 및 FMCW 신호 발생 회로는 FR4 기판에 장착한 후 두 기판을 적층하여 mm파 비아 공정 없이 레이다 모듈을 제작하고 정상 동작을 확인하였다. 2채널 수신기를 내장하여 거리와 함께 표적의 방향각도 측정 가능함을 실험적으로 검증하였다.
송신 신호는 스윕시간 10 msec, 대역폭 250 MHz으로 설정하였고, 측정된 IF 신호를 이용하여 표적과의 거리를 계산하였다. 또한 타깃의 각도는 두 송신 안테나에서 측정된 신호들의 위상 차이와 전파 거리 차이의 비를 이용하여 계산하였다.
6 mm2의 크기이다. 송수신기 칩은 DC 바이어싱을 위해 PCB 기판 위에 부착하여 LNA 입력과 전력 증폭기의 출력을 온 웨이퍼 프로빙으로 측정하였다. 주파수 합성기는 그림 6(a), 그림 6(b)에서 볼 수 있듯이 1 MHz 오프셋에서 −90 dBc/Hz, 10 MHz 오프셋에서 −115 dBc/Hz의 위상 잡음을 가진다.
송수신기의 안테나의 입력 임피던스도 칩의 부하조건을 고려해서 설계했기 때문에 송신 단과 수신 단의 전송선의 특성 임피던스도 50 Ω으로 설계하였다.
9 m2의 RCS(Radar Cross Section)를 가지는 코너 리플렉터(corner reflector)를 사용하였고, 거리와 코너 리플렉터 종류를 바꿔가며 반사된 신호에서 하향 변환된 IF 신호를 스펙트럼 분석기를 이용하여 확인하였다. 송신 신호는 스윕시간 10 msec, 대역폭 250 MHz으로 설정하였고, 측정된 IF 신호를 이용하여 표적과의 거리를 계산하였다. 또한 타깃의 각도는 두 송신 안테나에서 측정된 신호들의 위상 차이와 전파 거리 차이의 비를 이용하여 계산하였다.
안테나 이득을 증가시키기 위해 송신 단의 안테나는 4×4 패치 배열로 설계하였고, 수신 단의 안테나는 4×2 패치 배열로 설계하였다[8],[9].
×14 주파수 체배기의 24 GHz 출력신호는 트랜스포머에 의해 전력 증폭기에 결합된다. 첫째 단에서 싱글 엔드형 캐스코드 구조를 사용하여 전압이득과 안전성을 높이고, 둘째 단에서 차동 CS 구조를 사용하여 선형성과 전력을 높였다. 변압기들은 단계 간의 매칭과 전력 매칭을 위해 사용되었다.
측정은 측정용 송신부와 수신부를 따로 만들어 측정을 진행하였다. 그림 7(a), 그림 7(b)는 송신 단의 안테나 이득과 반사 계수이다.
본 논문에서는 모듈 구성을 쉽게 하기위해 안테나는 패치 안테나로 설계하였다. 패치 안테나는 그림 9와 같이 레이다 모듈의 상부에 배치되며, 패턴은 동일한 송수신 안테나를 독립적으로 제작하여 측정하였다. 송수신 패치 안테나의 기판은 2.
안테나 이득을 증가시키기 위해 송신 단의 안테나는 4×4 패치 배열로 설계하였고, 수신 단의 안테나는 4×2 패치 배열로 설계하였다[8],[9]. 패치 안테나의 폭과 길이는 식 (1), (2)를 이용하여 4.9 mm, 3.9 mm로 설계하였고, 급전은 패치 안테나와 전송선의 임피던스 매칭을 위해 인셋 피딩(inset feeding)을 사용하였다.
그림 10에서 필드 테스트는 24 GHz FMCW 레이다 모듈을 이용하여 실내에서 측정을 진행하였다. 표적으로 0.35 m2, 8.9 m2의 RCS(Radar Cross Section)를 가지는 코너 리플렉터(corner reflector)를 사용하였고, 거리와 코너 리플렉터 종류를 바꿔가며 반사된 신호에서 하향 변환된 IF 신호를 스펙트럼 분석기를 이용하여 확인하였다. 송신 신호는 스윕시간 10 msec, 대역폭 250 MHz으로 설정하였고, 측정된 IF 신호를 이용하여 표적과의 거리를 계산하였다.
대상 데이터
그림 10에서 필드 테스트는 24 GHz FMCW 레이다 모듈을 이용하여 실내에서 측정을 진행하였다. 표적으로 0.
본 논문에서 사용된 CMOS 송수신기 칩의 전력증폭기와 LNA는 50 Ω 부하 조건을 기준으로 설계되었다.
본 논문은 삼성 65-nm CMOS 공정을 이용하여 개발한 24 GHz 1Tx-2Rx FMCW 칩을 설계 및 제작하였다.
패치 안테나는 그림 9와 같이 레이다 모듈의 상부에 배치되며, 패턴은 동일한 송수신 안테나를 독립적으로 제작하여 측정하였다. 송수신 패치 안테나의 기판은 2.2의 유전율을 가지고 두께가 15 mil인 Roger 5880 RT Duroid 기판을 사용하였다. 안테나 이득을 증가시키기 위해 송신 단의 안테나는 4×4 패치 배열로 설계하였고, 수신 단의 안테나는 4×2 패치 배열로 설계하였다[8],[9].
접합 공정을 통하여 FR4 재질의 바이어스 및 베이스밴드 회로와 듀로이드 기판의 패치 안테나, 레이다 칩 셋 및 전송선을 12.5 cm×10 cm 크기의 단일 기판으로 시스템을 구성하였다.
성능/효과
또한 송수신 패치 배열 안테나와 자체 제작한 레이다 칩을 저손실 기판 동평면에 배치하고, 저주파의 바이어스 회로 및 FMCW 신호 발생 회로는 FR4 기판에 장착한 후 두 기판을 적층하여 mm파 비아 공정 없이 레이다 모듈을 제작하고 정상 동작을 확인하였다. 2채널 수신기를 내장하여 거리와 함께 표적의 방향각도 측정 가능함을 실험적으로 검증하였다.
변압기들은 단계 간의 매칭과 전력 매칭을 위해 사용되었다. 둘째 단의 입력에 저항과 캐패시터를 병렬로 연결하여 낮은 주파수에서 안정성을 향상시켰다.
LNA는 싱글 엔드형 두 단으로 되어 있다. 첫째 단에서 CS 구조를 사용하여 위상 잡음을 낮췄고, 둘째 단에서 캐스코드 구조를 사용하여 전압이득과 안전성을 향상시켰다. 믹서는 싱글 밸런스 수동 믹서 구조이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주파수 체배기의 특징은 무엇인가?
주파수 체배기는 높은 주파수 신호에서 위상잡음과 크기를 줄이는데 유리하다[5]. 그림 1은 ×14 주파수 체배기의 블록다이어그램을 보여준다.
×14 주파수 체배기는 무엇으로 구성되어 있는가?
그림 1은 ×14 주파수 체배기의 블록다이어그램을 보여준다. ×14 주파수 체배기는 단일 대 차동(single-to-differential: STD) 변환기, 차동 7상 주입 잠금 링 발진기, seven-push 주파수 가산기, 공통 소스(common-source: CS) 버퍼, push-push 주파수 더블러로 구성되어 있다. 외부에서 받은 1.
싱글 엔드형 두 단으로 되어 있는 LNA의 첫째 단과 둘째 단의 역할은 무엇인가?
LNA는 싱글 엔드형 두 단으로 되어 있다. 첫째 단에서 CS 구조를 사용하여 위상 잡음을 낮췄고, 둘째 단에서 캐스코드 구조를 사용하여 전압이득과 안전성을 향상시켰다. 믹서는 싱글 밸런스 수동 믹서 구조이다.
참고문헌 (9)
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S. K. Kim, C. Cui, B. S. Kim, and S. Y. Kim, "A fullyintegrated low power K-band radar transceiver in 130 nm CMOS technology," Journal of Semiconductor Technology and Science, vol. 12, no. 4, pp. 426-432, Dec. 2012.
C. Cui, S. K. Kim, R. Song, J. H. Song, S. Nam, and B. S. Kim, "A 77-GHz FMCW radar system using onchip waveguide feeders in 65-nm CMOS," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 63, no. 11, pp. 3736-3746, Nov. 2015.
S. C. Yen, T. H. Chu, "An Nth-harmonic oscillator using a N-push coupled oscillator array with voltage-clamping circuits," in Microwave Symposium Digest, 2003 IEEE MTT-S International, Jun. 2003, vol. 3, pp. 2169-2172.
남병창, 채규수, "24 GHz 대역 CW 레이더 송수신기 설계," 한국산학기술학회논문지, 10(7), pp. 1532-1535, 2009년.
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