[논문]Ka-대역 CMOS 2채널 이미지 제거 수신기

이동주; 안세환; 주지한; 권준범; 김영훈; 이상훈

doi:10.7236/jiibc.2023.23.5.109

초록
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본 논문에서는 Ka-대역 소형 레이더에 적용하기 위한 65-nm CMOS 기반 2채널 이미지 제거 수신기를 기술하였다. 설계된 수신기는 Low-Noise Amplifier (LNA), IQ mixer 및 Analog Baseband (ABB) 회로로 구성된다. ABB 내에 complex filter를 포함하여 원하지 않는 이미지 성분을 억제할 수 있으며, RF 및 ABB의 가변 이득 증폭기 (VGA)에서 이득을 4.5-56 dB 범위에서 조절할 수 있어 수신기의 동적 영역을 확보할 수 있다. 이득 조절은 수신기에 내장된 SPI 컨트롤러를 통해 수행된다. 수신기 칩은 Ka-대역 목표주파수 내 이득 36 dB에서 잡음지수 <15 dB, OP1dB >4 dBm, 이미지 제거비 >30 dB, 채널 간 격리도 >45 dB 특성을 보였다. 본 수신기는 1.2 V 공급전압에서 420 mA를 소모하며, 칩 면적은 4000×1600 ㎛ 이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a 2-channel Image-Reject receiver using a 65-nm CMOS process is presented for Ka-band compact radars. The designed receiver consists of Low-Noise Amplifier (LNA), IQ mixer, and Analog Baseband (ABB). ABB includes a complex filter in order to suppress unwanted images, and the variable ...

In this paper, a 2-channel Image-Reject receiver using a 65-nm CMOS process is presented for Ka-band compact radars. The designed receiver consists of Low-Noise Amplifier (LNA), IQ mixer, and Analog Baseband (ABB). ABB includes a complex filter in order to suppress unwanted images, and the variable gain amplifiers (VGAs) in RF block and ABB have gain tuning range from 4.5-56 dB for wide dynamic range. The gain of the receiver is controlled by on-chip SPI controllers. The receiver has noise figure of 4 dBm, image rejection ratio of >30 dB, and channel isolation of >45 dB at the voltage gain of 36 dB, in the Ka-band target frequency. The receiver consumes 420 mA at 1.2 V supply with die area of 4000×1600 ㎛.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. Ka-대역 2채널 수신기 블록 다이어그램 Fig. 1. Block diagram of a Ka-band 2-ch receiver
그림 그림 2. Complex filter (a) 특성 (b) IRR 시뮬레이션 Fig. 2. Complex filter (a) characteristics (b) simulation result of image rejection ratio (IRR)
그림 그림 3. ABB 이득 시뮬레이션 (a) 스텝 크기 (b) 총 이득 Fig. 3. Simulated ABB gain (a) step size (b) total gain
그림 그림 4. 수신기 (a) 칩 사진 (b) 평가보드 Fig. 4. Receiver (a) chip microphotograph (b) evaluation Board
그림 그림 5. 수신기 측정 셋업 Fig. 5. Measurement setup for receiver
그림 그림 6. 이득 측정 결과 (a) 기준 이득 (b) 최대 이득 Fig. 6. Measured gain (a) reference gain (b) max gain
그림 그림 7. 잡음지수 측정 결과 (기준 이득) Fig. 7. Measured noise figure at reference gain
그림 그림 8. 출력 P1dB 측정 결과 (기준 이득) Fig. 8. Measured P1dB at reference gain
표 표 1. 수신기 측정 성능 요약 Table 1. Measured performance summary of the receiver

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 65-nm CMOS 공정을 사용한 Ka-대역 수신기 IC를 제안하였다. Low-IF 수신기의 대역 선택 및 이미지 제거를 위해 complex filter를 적용하였으며, RF단 및 ABB에 VGA를 적용하여 SPI 제어를 통해 이득을 조절하였다.

제안 방법

본 논문에서는 65-nm CMOS 공정을 사용한 Ka-대역 수신기 IC를 제안하였다. Low-IF 수신기의 대역 선택 및 이미지 제거를 위해 complex filter를 적용하였으며, RF단 및 ABB에 VGA를 적용하여 SPI 제어를 통해 이득을 조절하였다. 수신기 2채널 및 SPI 컨트롤러를 단일칩에 집적화하였으며, 실제 측정을 통해 이득 4.
수신기의 측정 셋업을 그림 5에 제시하였다. RF 및 LO 입력을 signal generator 장비에서 인가하고 PC에서 SPI를 제어하여 spectrum analyzer에서 출력 주파수를 관찰하였다. 이 때 인가한 RF 및 LO 입력 신호의 크기는 각각 –50 dBm / -20 dBm 이며, 잡음지수 측정시 Ka-대역 잡음원을 RF 단에 연결하여 calibration 수행 후 다시 signal generator를 연결하여 이득 및 잡음지수를 확인하였다.
이 때 인가한 RF 및 LO 입력 신호의 크기는 각각 –50 dBm / -20 dBm 이며, 잡음지수 측정시 Ka-대역 잡음원을 RF 단에 연결하여 calibration 수행 후 다시 signal generator를 연결하여 이득 및 잡음지수를 확인하였다.
채널 간 간섭 최소화를 위해 RF 입력단을 반대로 배치하였으며, IC 내에서 채널 간 그라운드를 분리하여 격리도 목표치인 >40 dB를 충족하고자 하였다.

대상 데이터

65-nm RF CMOS 공정으로 제작되었으며, 수신기 2채널, LO분배기, SPI 컨트롤러를 포함하여 전체크기는 4000×1600 μm 이다

성능/효과

수신기의 주요 성능을 표 1에 요약하였다. 1.2 V 공급 전압에서 420 mA를 소모하여 설계치인 406 mA와 유사한 수준이며, 이득을 제외한 주요 측정값들은 기준 이득 36 dB 세팅값을 바탕으로 검증되어 목표치를 충족함을 확인하였다.
수신기 2채널 및 SPI 컨트롤러를 단일칩에 집적화하였으며, 실제 측정을 통해 이득 4.5-56 dB, OP1dB >4 dBm, 채널 간 격리도 >45 dB, IRR >33 dB를 확인하였다

후속연구

5-56 dB, OP1dB >4 dBm, 채널 간 격리도 >45 dB, IRR >33 dB를 확인하였다. 본 연구를 통해 확보한 수신기를 Ka-대역 소형 레이더에 적용 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (10)

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