초록 ▼

□ 연구개요
사물인터넷 응용 5:1 SWR 임피던스 반경 안에서 송신전력 및 잡음지수 저하량을 0.5dB 이내로 만들 수 있는 안테나 임피던스 부정합 자동 보상 기능이 내재된 2.5mW급 2.4GHz 대역근거리 무선통신용 RF CMOS 송수신기 프론트-엔드를 개발한다. 센서 노드가 외부 환경에 노출되었을 때 안테나 임피던스 부정합으로 인해 송수신기의 송신전력/효율과 수신감도/잡음지수가 크게 저하됨에도 불구하고, 이를 해결할 수 있는 근거리 무선통신용 RF 송수신기 연구가 진행된 바 없어 이에 대한 연구를 중점적으로 진행한다.

□ 연구개요
사물인터넷 응용 5:1 SWR 임피던스 반경 안에서 송신전력 및 잡음지수 저하량을 0.5dB 이내로 만들 수 있는 안테나 임피던스 부정합 자동 보상 기능이 내재된 2.5mW급 2.4GHz 대역근거리 무선통신용 RF CMOS 송수신기 프론트-엔드를 개발한다. 센서 노드가 외부 환경에 노출되었을 때 안테나 임피던스 부정합으로 인해 송수신기의 송신전력/효율과 수신감도/잡음지수가 크게 저하됨에도 불구하고, 이를 해결할 수 있는 근거리 무선통신용 RF 송수신기 연구가 진행된 바 없어 이에 대한 연구를 중점적으로 진행한다. 전력 소모 비중이 가장 큰 RF핵심회로 (전력증폭기 및 저잡음 증폭기)에 대해 저전력 회로 기술을 적용함으로써 위 최종목표 사양을 달성한다. 최종 연구 목표를 효율적으로 달성하기 위해 다음 4대 세부 연구로 분할하고, 각 세부 연구 목표 및 핵심 내용을 아래와 같이 설정한다.
▪ 기존 아날로그 Varactor 소자와 Switched Capacitor Array 소자의 단점을 극복할 수 있는 넓은 가변범위, 높은 Q-factor, 고선형성을 가지는 새로운 CMOS 가변 커패시터 소자
▪ 2.4GHz 대역 0dBm-출력 고효율(>60%) 전력증폭기 및 1.5dB-잡음지수 저전력(<1mW) 저잡음 증폭기
▪ 5:1 SWR 임피던스 반경 안에서 안테나 임피던스 변화에 따른 전력증폭기의 출력전력 및 저잡음 증폭기의 잡음지수 성능 저하를 0.5dB 이내로 만들 수 있는 2.4GHz 대역 최적 튜너블 임피던스 매칭 회로 개발
▪ 환경 변화에 따른 안테나 임피던스 변화를 정확히 측정 할 수 있는 높은 정확도 (|Γ|: <+-0.05) 저전력 (<0.5mW) 안테나 임피던스 측정 회로(센서) 개발
4대 세부과제에서 도출된 핵심회로를 단일 CMOS 칩에 집적 후 최종 연구목표를 달성한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구에서 고안된 사물인터넷 응용 안테나 임피던스 부정합 자동 보상 기능이 내재된 극소전력 소모 2.4GHz 대역 근거리 무선통신용 송수신기 프론트-엔드 회로가 상용 65nm/130nm CMOS MPW 공정을 통해 3번에 걸쳐 제작이 이루어 졌고, 측정 결과와 시뮬레이션 결과의 비교를 통해 오차 분석을 진행하고 이를 회로 제작에 다시 반영하여 성능을 향상시켜나갔다. 본 연구에서 진행된 주요 블록 회로의 연구 결과를 정리하면 다음과 같다.
▪ 높은 Q-factor 및 고선형성을 가지는 새로운 CMOS 가변 커패시터 소자
1) 기존 CMOS Switched Capacitor Array (SCA) 소자의 Cmin 상태에서의 Substrate에서 기인하는 Q-factor 저하 요인 분석 및 시뮬레이션/측정을 통한 검증
2) 디지털 온/오프 제어 방식을 도입한 Varactor 소자 기반의 새로운 CMOS 가변 커패시터소자 (AVA: Accumulation-mode Varartor Array, IVA: Inversion-mode Varactor Array, CVA: Composite Varractor Array) 설계/제작 및 측정
3) (3-bit AVA 소자 측정 결과) Cmax/Cmin: 1380fF/660fF, Q-factor (@Cmin): 23, Q-factor (@Cmax): 50, HD2: <-73dBm (Pin: -1.5dBm, 2GHz), HD3: <-85dBm (Pin: -1.5dBm, 2GHz)
▪ 2.4GHz 대역 0dBm-출력 고효율(>60%) 전력증폭기 및 5:1 SWR 임피던스 반경 안에서 안테나피던스 변화에 따른 전력증폭기의 출력전력 성능 저하를 0.5dB 이내로 만들 수 있는 튜너블 임피던스 매칭 회로를 도입한 튜너블 전력 증폭기
1) Body-biasing 기법을 적용한 Push-Pull 전력증폭기 설계 및 시뮬레이션을 통한 최대 출력 전력 및 효율 향상 검증 (2.4GHz, -5dBm 입력 신호 인가 시, 출력 전력은 +2.5dBm에서 +4dBm으로, 효율은 35%에서 40%로 향상)
2) 튜너블 임피던스 매칭 회로를 도입한 튜너블 전력 증폭기의 경우 시뮬레이션을 통해 2.4GHz 대역에서 0dBm 출력을 낼 수 있는 부하 임피던스 영역이 도입 전 대비 1.5배 증가함을 확인
▪ CMOS 저잡음 증폭기 회로 기술 및 2.4GHz/5.2GHz 이중 대역을 동시 포괄하는 저잡음 증폭기
1) 2.4GHz/5.2GHz 이중 대역을 동시 포괄하는 저잡음 증폭기 개발로 연구 계획 변경 (WiFi IoT 응용 고려)
2) 2.4GHz 부분적 궤환을 이용한 이중 주파수 대역에서 최소 잡음 지수와 입력 임피던스 정합을 동시달성할 수 있는 저잡음 증폭기 설계 및 시뮬레이션을 통한 성능 검증
(S21: +14dB, S11: -11.2dB, NF: 1.6dB, IIP3: -3.7dBm)@2.4GHz, (S21: +15.5dB, S11: -10.3dB, NF: 2.2dB, IIP3: -9.3dBm)@5.2GHz, 전력소모: 8.3mW
3) 임의의 안테나 임피던스 조건에도 튜너블 임피던스 매칭 회로를 통해 최소 잡음 지수와 입력 임피던스 정합을 동시 달성할 수 있음을 시뮬레이션 검증
4) 바디 바이어스 전압을 통한 IP2 향상 기법, 트랜스컨덕터와 소스 폴로워 결합을 통한 IP3 향상 기법 등 저전력 고선형 저잡음 증폭기 구현을 위한 선형화 기법 연구, 회로 제작 및 측정을 통한 성능 검증 (높은 IP2 성능을 가지는 저잡음 증폭기의 OIP2 성능: > +50dBm @0.5GHz ~ 3GHz, 높은 IP3 성능을 가지는 저잡음 증폭기의 OIP3 성능: > +30dBm @400MHz)
▪ 안테나 임피던스 변화를 정확히 측정 할 수 있는 높은 정확도 (|Γ|: < +-0.05) 저전력 (<0.5mW) 안테나 임피던스 측정 회로(센서) 개발
1) 25% Duty-cycle Quadrature 클록 신호 기반의 기저대역 임피던스를 RF 임피던스로 변환하는 N-path 필터 기술을 활용한 새로운 개념의 고 정확도 RF 임피던스 측정 회로 기술 고안 및 시뮬레이션 검증 진행
2) 측정 가능한 임피던스 동적 영역의 한계 (40dB 이하)로 인해 칩 제작은 진행하지 못함

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구를 통해 개발된 BLE 및 ZigBee 등의 근거리 무선 통신을 지원하는 고효율 CMOS 송수신기가 IoT 센서 노드에 결합된다면, 현재의 실내 응용에 머물고 있는 IoT 응용 범위를 실외까지 확장시킬 것이며 사회 전반에 걸쳐 IoT 응용의 폭발적인 확장을 가져올 것이다. 또한 아직도 거의 전량 수입에 의존하고 있는 (현재 근거리 무선 통신 RFIC는 퀄컴, 브로드컴 등의 해외 유수 기업 제품이 세계 시장을 독식하고 있음) 핵심 RF 부품의 소형화와 원가 절감을 통하여 국가 경제 및 산업을 견인하고 있는 휴대폰 기기 및 부품 설계와 제조 산업의 국제 경쟁력 강화와 무역 수지 개선에 크게 기여하게 될 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 6
• ■ 높은 Q-factor 및 고선형성을 가지는 새로운 CMOS 가변 커패시터 소자 ... 6
• ■ 2.4GHz 대역 0dBm 출력 고효율 전력증폭기 및 튜너블 임피던스 매칭 회로를 도입한 튜너블 전력 증폭기 ... 10
• ■ CMOS 저잡음 증폭기 회로 기술 및 2.4GHz/5.2GHz 이중 대역을 동시 포괄하는 저잡음 증폭기 ... 11
• ■ CMOS 저잡음 증폭기 선형화 기술 ... 14
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 14
• 4. 참고문헌 ... 15
• 5. 연구성과 ... 15
• 대표적 연구실적 ... 18
• 끝페이지 ... 32