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W-band 레이더 수신기용 온도보상회로 설계
Design of Temperature Compensation Circuit for W-band Radar Receiver 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.20 no.4, 2020년, pp.129 - 133  

이동주 (LIG넥스원(주)) ,  김완식 (LIG넥스원(주)) ,  권준범 (LIG넥스원(주)) ,  서미희 (국방과학연구소) ,  김소수 (국방과학연구소)

초록
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본 논문에서는 W-대역 저잡음증폭기의 온도에 따른 이득 변동을 경감시킬 수 있는 온도보상회로를 기술하였다. 제안된 캐스코드 온도보상 바이어스회로는 공통-소스 저잡음증폭기의 게이트 바이어스를 자동으로 조절하여 소신호 이득의 변화를 억제한다. 설계된 회로는 100-nm GaAs pHEMT 공정 디자인킷으로 구현되었다. 제안된 바이어스 회로를 적용한 W-대역 저잡음증폭기의 시뮬레이션 이득값은 -35~71℃ 범위에서 20 dB 이상, ±0.8 dB 내의 변동값을 보였다. 본 논문에서 제시한 회로는 레이더용 밀리미터파 수신기에 적용되어 안정적인 성능을 낼 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a temperature compensation circuit is presented in order to mitigate gain variability due to temperature in the W-band low-noise amplifier (LNA). The proposed cascode temperature compensation bias circuit automatically controls gate bias voltages of the common-source LNA in order to s...

주제어

#GaAs pHEMT   #LNA   #millimeter wave   #MMIC   #temperature compensation   #W-band  

표/그림 (7)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 저잡음증폭기의 온도보상 구조를 그림 2에 나타내었다. 기준 게이트 바이어스 전압은 Vg1 = Vg2 = -0.5 V, Vg3 = Vg4 = -0.3 V 이며, Vg1 및 Vg2를 별도의 on-chip 온도보상회로에서 조절하여 온도 변화에 따른 증폭기의 이득 변동을 줄이고자 하였다. 저잡음증폭기의 앞 두 단은 트랜지스터 크기 및 게이트 전압이 동일하므로 하나의 바이어스 회로로 전압 조절이 가능하며, 앞 두 단의 게이트 전압만 조절하여도 필요한 만큼의 이득조절이 가능하다.
  • 본 논문에서는 100-nm GaAs pHEMT 공정을 이용하여 W-대역 저잡음증폭기에 적용 가능한 온도보상회로를 설계하였으며, 이득 변동을 줄이고자 하였다. 이를 위해 같은 공정으로 W-대역 저잡음증폭기를 제작 및 측정하여 특성을 사전 검증하여 설계에 반영하였다.
  • 본 논문에서는 100-nm GaAs pHEMT 공정을 활용하여 W-대역 저잡음증폭기에 적용 가능한 온도보상회로를 설계하였다. W-대역에서 추가손실이 있는 감쇄기 혹은 디지털 제어 방식 대신 다이오드의 온도특성을 활용한 게이트 바이어스 조절방식의 온도보상회로를 설계 및 적용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
증폭기의 온도보상 방식에는 어떤 것이 있는가? 증폭기에서 온도보상 방식으로는 크게 감쇄기를 이용하는 방식과 증폭기의 바이어스를 조절하는 방식으로 나눌 수 있으며, 밀리미터파 대역에서는 추가 삽입손실이 없으며 상대적으로 간단한 구조를 가지는 게이트 바이어스 회로들이 제안되었다[8-10].
밀리미터파 대역 중 W-대역의 특징은? 밀리미터파 대역 중에서 W-대역 (75-110 GHz)은 파장이 짧고 넓은 동작주파수 대역을 가지므로 고해상도 탐지에 적합하며, RF 부품들의 소형화 및 경량화가 가능하여 방산분야에서는 주로 레이더 시스템 분야에서 활발하게 연구가 진행되고 있다[1-5]. 레이더 송수신부를 구성하는 RF 부품인 MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit)의 경우 밀리미터파 대역에서는 수출면허계획에 의해 수입에 제한이 따르며, 부품단가가 높기 때문에 핵심 부품들의 적극적인 국산화를 통해 국내환경에 적합한 RF 송수신단의 개발이 요구된다.
다이오드를 활용한 온도보상회로의 동작원리는? 다이오드를 활용한 온도보상회로의 동작원리는 여러 문헌을 통해 보고되었다[8][10]. 온도가 증가함에 따라 다이오드의 임계전압이 감소하여 R2에 걸리는 전압이 증가하므로 M1의 소스 전압이 증가하며, R1에 걸리는 전압 또한 증가하므로 M1의 게이트 전압이 줄어들어 M1의 Vgs가 줄어들게 된다. 즉, M1의 드레인 전류가 감소하므로 출력 Vg 값이 증가하여 고온에서 감소된 증폭기 이득을 보상할 수 있다. 온도가 감소할 경우 반대로 M1의 Vgs가 증가하므로 출력 Vg 레벨이 줄어들어 증폭기의 이득을 줄이는 방향으로 작용하게 된다.
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참고문헌 (10)

  1. Seokchul Lee et al. , "W-Band Multichannel FMCW Radar Sensor With Switching-TX Antennas", IEEE Sensors Journal, Vol. 16, No. 14, pp. 5572-5582, 2016. DOI: https://doi.org/10.1109/JSEN.2016.2567450 

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  2. Wansik Kim et al. , "Development and Manufacture of W-band MMIC Chips and manufacture of Transceiver", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication(JIIBC), Vol. 19, No. 6, pp. 175-81, 2019. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2018.18.6.163 

  3. Young-Gon Kim et al., "Transceiver Module for W-band Compact Radar", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication(JIIBC), Vol. 18, No. 2, pp. 27-32, 2018. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2018.18.2.27 

  4. Hong-Gu Ji, "Monolithic Integrated Amplifier for Millimeter Wave Band", The Journal of Korea Academia-Industrial cooperation Society(JKAIS), Vol. 11, No. 10, pp. 3917-3922, 2010. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2010.11.10.3917. 

    원문보기 상세보기 crossref

  5. Seonghan Ryu, "W-band Downconversion Mixer with Finline Transition for Intelligent Traffic System", The Journal of KIIT, Vol. 14, No. 10, pp. 37-42, 2016. 

  6. A. Dyskin, D. Ritter, and I. Kallfass, "Ultra wideband cascaded low noise amplifier implemented in 100-nm GaAs metamorphic- HEMT technology", 2012 International Symposium on Signals, Systems, and Electronics (ISSSE), Potsdam, pp. 1-4, 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/ISSSE.2012.6374348 

  7. A. Bessemoulin et al., " $0.1-{\mu}m$ GaAs PHEMT W-band low noise amplifier MMIC using coplanar waveguide technology", 2014 1st Australian Microwave Symposium (AMS), Melbourne, VIC, pp. 1-2, 2014. DOI: https://doi.org/10.1109/AUSMS.2014.7017336 

  8. K. Yamanaka et al., "Ku-band low noise MMIC amplifier with bias circuit for compensation of temperature dependence and process variation", IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., 2002, pp. 1427-1430, 2002. DOI: https://doi.org/10.1109/MWSYM.2002.1012123 

  9. T. Yoshida, K. Takano, C. Y. Li, M. Motoyoshi, K. Katayama, S. Amakawa, and M. Fujishima, "CMOS power amplifier with temperature compensation for 79 GHz radar system", IEEE APMC 2013, pp. 239-241, 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/APMC.2013.6695106 

  10. S. Lee et al. , "W-band dual-channel receiver with active power divider and temperature- compensated circuit", Electron. Lett., Vol. 52, pp. 850-851, 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.1049/el.2015.3781 

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