[논문]위성 통신 시스템을 위한 Ka-band 이득제어 CMOS 저잡음 증폭기

임혜민; 정하연; 이재용; 박성규; 박창근

doi:10.6109/jkiice.2019.23.8.959

위성 통신 시스템을 위한 Ka-band 이득제어 CMOS 저잡음 증폭기
Ka-Band Variable-Gain CMOS Low Noise Amplifier for Satellite Communication System 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.23 no.8, 2019년, pp.959 - 965

임혜민 (School of Electronic Engineering, Soongsil University) , 정하연 (School of Electronic Engineering, Soongsil University) , 이재용 (School of Electronic Engineering, Soongsil University) , 박성규 (School of Electronic Engineering, Soongsil University) , 박창근 (School of Electronic Engineering, Soongsil University)

초록
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본 논문에서는 CMOS 65-nm 공정을 이용하여 위성 통신 시스템에서 Ka-band를 지원하기 위한 저잡음 증폭기를 설계하였다. 제안된 저잡음 증폭기는 고이득 모드와 저이득 모드로 구성되어있으며, 입력신호의 크기에 따라 이득을 제어하도록 설계하였다. 전력소모를 줄이기 위해 회로 전체의 공급전압을 1 V 이하로 제한하였으며, 인버터 구조의 이득제어 회로에 대해 기술하였다. 제작된 회로의 크기를 줄이기 위해 3D EM 시뮬레이터를 사용하였으며, 패드를 포함하며 $0.33mm^2$의 면적을 갖는다. 제작된 증폭기는 3 dB 대역폭에서 -7 dB의 이득제어 범위를 가지며 반사계수는 고이득 모드에서 -6 dB, 저이득 모드에서 -15 dB 미만으로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we design a low noise amplifier to support ka-band satellite communication systems using 65-nm RFCMOS process. The proposed low noise amplifier is designed with high-gain mode and low-gain mode, and is designed to control the gain according to the magnitude of the input signal. In order to reduce the power consumption, the supply voltage of the entire circuit is limited to 1 V or less. We proposed the gain control circuit that consists of the inverter structure. The 3D EM simulator is used to reduce the size of the circuit. The size of the designed amplifier including pad is $0.33mm^2$. The fabricated amplifier has a -7 dB gain control range in 3 dB bandwidth and the reflection coefficient is less than -6 dB in high gain mode and less than -15 dB in low gain mode.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Block diagram of RF receiver
그림 Fig. 2 Schematic of proposed Ka-band low noise amplifier.
그림 Fig. 4 Simulated gain in high gain mode and low gain mode.
그림 Fig. 3 Inverter structure of (a)high gain mode (b)low gain mode.
그림 Fig. 5 Simulated noise figure in high gain mode low gain mode.
그림 Fig. 6 Full layout of 3D EM simulation
그림 Fig. 7 Simulated S-parameter
표 Table. 1 Simulated S-parameter & Noise Figure
그림 Fig. 8 Ka-band low noise amplifier chip photograph
그림 Fig. 9 Measured S-parameter and Noise Figure of (a) high gain mode and (b) low gain mode
그림 Fig. 10 Measured Compression characteristics at (a) high gain mode and (b) low gain mode

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 CMOS 65-nm 공정을 사용하여 위성 통신 시스템에서 Ka-band를 지원하는 저잡음 증폭기를 제안하였다. 설계된 Ka-band 2단 저잡음 증폭기는 전력소모를 최소화하기 위하여 공급전압을 1 V로 제한하였으며, 16 mW의 전력소모가 발생하였다.
본 논문에서는 전력 소모를 최소화 하면서 넓은 동작영역을 확보하기 위하여, 입력 신호의 크기에 따라 동작모드가 가변 되는 저잡음 증폭기에 대하여 기술하였다. 제안된 저잡음 증폭기는 CMOS 65-nm 공정을 사용하여 설계되었으며, 이득제어 회로는 인버터 구조로 설계하였다[10].
제안된 저잡음 증폭기는 CMOS 65-nm 공정을 사용하여 설계되었으며, 이득제어 회로는 인버터 구조로 설계하였다[10]. 전력소모를 줄이기 위하여 공급 전압을 1V 미만으로 제한하였으며, 단일 종단 구조를 사용하여 회로의 크기를 최소화하는 방법에 대해 기술하였다.

제안 방법

경계효과를 줄이기 위해 고주파 입력 및 출력을 위한 금속선로와 dc 전압이 인가되는 금속선로는 50-μm de-embedding용 금속 선로를 추가하였으며, 커패시터 및 MOSFET은 co-callibrated 포트를 사용하여 하나의 그룹으로 설정하여 EM 시뮬레이션 하였다.
또한 축퇴(degeneration) 인덕터와 큰 직렬 커패시터를 사용하여 입력 정합회로를 구성하였다. 두 번째 단은 캐스코드(cascode) 구조를 사용하여 첫 번째 단의 부족한 이득을 증폭시켜 목표이득을 만족하도록 설계하였다. 또한 두 번째 단의 캐스코드 구조는 이득제어를 위한 용도로 변형 되어 설계되었는데, 보다 자세한 내용은 다음절에서 기술하였다.
또한 3D EM 시뮬레이터와는 다르게 실제 금속층의 두께를 정확하게 반영하는데 한계가 있다는 단점이 존재한다. 따라서 보다 정확한 시뮬레이션을 위해 본 설계에서는 3D EM 시뮬레이터를 사용하여 수동 소자의 특성을 시뮬레이션 하였다.
하지만 차동 구조는 단일 종단 구조에 비해 전력 소비가 두 배 많고 전체 회로의 크기가 커진다는 단점이 존재한다. 따라서 제안하는 저잡음 증폭기는 전력 소비와 회로의 크기를 줄이기 위해 단일 종단구조를 사용하여 설계하였다.
이득을 제어하기 위한 인버터 구조는 잡음 성능에 미치는 영향을 최소화하기 위해 저잡음 증폭기의 두 번째 단의 캐스코드 구조에 적용된다. 따라서 첫 번째 단은 일반적인 저잡음 증폭기와 동일하게 인덕티브 축퇴를 이용한 잡음 정합 방식으로 설계 하여 전체 저잡음 증폭기의 잡음 지수를 확보 할 수 있도록 하였다.
제안하는 저잡음 증폭기는 두 개의 단을 갖는 구조로, 잡음 지수를 최소화하기 위해 첫 번째 단에 공통소스 구조를 적용하였다. 또한 축퇴(degeneration) 인덕터와 큰 직렬 커패시터를 사용하여 입력 정합회로를 구성하였다. 두 번째 단은 캐스코드(cascode) 구조를 사용하여 첫 번째 단의 부족한 이득을 증폭시켜 목표이득을 만족하도록 설계하였다.
제안하는 저잡음 증폭기는 두 개의 단을 갖는 구조로, 잡음 지수를 최소화하기 위해 첫 번째 단에 공통소스 구조를 적용하였다. 또한 축퇴(degeneration) 인덕터와 큰 직렬 커패시터를 사용하여 입력 정합회로를 구성하였다.
그림 8에 저잡음 증폭기의 칩 사진을 나타내었다. 측정을 위해 전원 전압 및 dc 바이어스는 본드-와이어를 통해 인가하였으며, 고주파 입력 및 출력은 RF probe를 이용하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 전력 소모를 최소화 하면서 넓은 동작영역을 확보하기 위하여, 입력 신호의 크기에 따라 동작모드가 가변 되는 저잡음 증폭기에 대하여 기술하였다. 제안된 저잡음 증폭기는 CMOS 65-nm 공정을 사용하여 설계되었으며, 이득제어 회로는 인버터 구조로 설계하였다[10]. 전력소모를 줄이기 위하여 공급 전압을 1V 미만으로 제한하였으며, 단일 종단 구조를 사용하여 회로의 크기를 최소화하는 방법에 대해 기술하였다.
제안한 저잡음 증폭기는 RF CMOS 65-nm 공정을 사용하여 설계하였으며, 전체 저잡음 증폭기 크기는 패드를 모두 포함하여 0.58 × 0.58 mm2이다.

성능/효과

그림 4는 고이득 모드와 저이득 모드에서의 이득을 나타낸 시뮬레이션 결과이다. Ka-band 대역에서 고이득 모드일 때 이득은 15 dB 이상을 만족하고, 저이득 모드일 때 3 dB 대역폭에서 - 6 dB 이상의 이득제어가 가능함을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 - 6 dB의 이득 제어를 위하여 그림 3의 M1과 M2를 14:5로 설계하였으나, M1과 M2의 비율을 조정할 경우, 보다 넓은 폭의 이득 제어가 가능하다.
하지만, 저이득 모드의 경우, 전체 저잡음 증폭기의 이득이 감소하면서, 전체 증폭기의 잡음 지수가 다소 열화됨을 확인하였다. 고이득 모드와 저이득 모드에서 3 dB 이하의 잡음특성을 만족한 것을 확인하였다.
입력 신호가 일정 이상 증가하게 되면 저잡음 증폭기를 포함하는 수신단이 포화영역에서 동작 하게 되어 수신 신호를 선형적으로 증폭할 수 없는 문제점이 있다. 따라서 수신 신호의 크기에 따라 수신부의 이득은 가변 되어야 하는데, 본 논문에서는 수신부의 가장 첫 번째 고주파 회로부인 저잡음 증폭기에 가변이득 기능을 탑재하는 회로설계 기술을 보였다.
또한, 저이득 모드로 동작할 때 29 GHz에서 잡음지수의 최솟값인 –1.81dB를 얻었다.
Ka-band 대역에서 고이득 모드일 때 이득은 15 dB 이상을 만족하고, 저이득 모드일 때 3 dB 대역폭에서 - 6 dB 이상의 이득제어가 가능함을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 - 6 dB의 이득 제어를 위하여 그림 3의 M1과 M2를 14:5로 설계하였으나, M1과 M2의 비율을 조정할 경우, 보다 넓은 폭의 이득 제어가 가능하다.
사용 주파수 대역에서 시뮬레이션 결과와 유사한 평탄도를 얻었으며, 3 dB 대역폭에서 –7 dB의 이득제어가 일어난 것을 확인할 수 있다.
그림 5에는 설계된 저잡음 증폭기의 잡음지수 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 인버터 구조를 사용하여 두 번째 단의 이득을 제어하는 경우에도 두 번째 단은 첫 번째 단의 잡음특성에 영향을 거의 미치지 않음을 확인하였다. 하지만, 저이득 모드의 경우, 전체 저잡음 증폭기의 이득이 감소하면서, 전체 증폭기의 잡음 지수가 다소 열화됨을 확인하였다.
설계된 Ka-band 2단 저잡음 증폭기는 전력소모를 최소화하기 위하여 공급전압을 1 V로 제한하였으며, 16 mW의 전력소모가 발생하였다. 인버터 구조의 이득제어 회로를 추가하여, 입력신호에 따라 고이득 모드 및 저이득 모드를 지원하는 것을 확인하였으며, 또한 3D EM 시뮬레이터를 사용하여 설계한 저잡음 증폭기가 전체 패드를 포함하여 0.33 mm²의 작은 사이즈를 갖는 것을 확인하였다.
인버터 구조를 사용하여 두 번째 단의 이득을 제어하는 경우에도 두 번째 단은 첫 번째 단의 잡음특성에 영향을 거의 미치지 않음을 확인하였다. 하지만, 저이득 모드의 경우, 전체 저잡음 증폭기의 이득이 감소하면서, 전체 증폭기의 잡음 지수가 다소 열화됨을 확인하였다. 고이득 모드와 저이득 모드에서 3 dB 이하의 잡음특성을 만족한 것을 확인하였다.

후속연구

송신단은 안테나를 통해 변조된 신호를 방사하며 수신단은 안테나를 통해 잡음이 섞인 신호를 수신한다. 특히 Ka-band의 경우 기후 변화에 민감한 신호 감쇠 특성을 보이기 때문에, 수신 신호의 증폭 및 수신단의 포화 방지 등을 고려하여, 넓은 동작영역(dynamic range)을 갖는 저잡음 증폭기에 대한 연구가 필요하다. 일반적으로 넓은 동작영역을 확보하기 위해서는 높은 선형성은 물론, 입력되는 큰 전력을 감당 할 수 있도록 회로가 구성 되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저잡음 증폭기의 두번째 단의 구조는?	또한 축퇴(degeneration) 인덕터와 큰직렬 커패시터를 사용하여 입력 정합회로를 구성하였다. 두 번째 단은 캐스코드(cascode) 구조를 사용하여 첫 번째 단의 부족한 이득을 증폭시켜 목표이득을 만족하도록 설계하였다. 또한 두 번째 단의 캐스코드 구조는 이득제어를 위한 용도로 변형 되어 설계되었는데, 보다 자세한 내용은 다음절에서 기술하였다.
	Ka-band의 장점은?	따라서 보다 높은 주파수 대역에서의 위성 통신 시스템 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 Ka-band(20-30 GHz)는 넓은 대역폭을 갖고, 전파 방지 기능이 뛰어나기 때문에 새로운 위성 통신 주파수 대역으로 기대되고 있다 [1]. 또한 최근 5G 이동통신의 상용화에 따라 Ka-band 지원을 위한 고주파 송수신단에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다 [2-9].
	Ka-band의 주파수범위는?	따라서 보다 높은 주파수 대역에서의 위성 통신 시스템 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 Ka-band(20-30 GHz)는 넓은 대역폭을 갖고, 전파 방지 기능이 뛰어나기 때문에 새로운 위성 통신 주파수 대역으로 기대되고 있다 [1]. 또한 최근 5G 이동통신의 상용화에 따라 Ka-band 지원을 위한 고주파 송수신단에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다 [2-9].

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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