This is a dissertation on the study of millimeter-wave, low-power and wideband on-off modulation receivers. The
millimeter wave frequency band is suitable for implementing Gigabit high-speed communication since it has wider
bandwidth than the lower frequency band. In addition, as the millimeter wavelength is shorter than that of the lower frequency band, an inductor and capacitor can be integrated into a circuit. Accordingly, applications for high-speed wireless communication based on such advantages are being studied. However, due to the greater free space path loss in the millimeter frequency, it should be used for short-range rather than long-distance communication and is suitable for wireless communication indoors or within a fixed near distance. In this dissertation, I design two types of millimeter-wave on-off keying receivers for low-power and high-speed communication and test their performance. First, an 80-GHz on-off keying receiver, which is an application in a fixed distance, is designed and verified for inter-chip wireless communication. Second, a 60-GHz on-off keying receiver for high-speed
beamforming is designed and verified to enable Gbps data transmission in a short range.
This dissertation consists of four chapters. Chapter 1 explains the necessity of the receiver in the millimeter wave frequency band and elaborates on why the on-off modulation scheme is suitable to drive low power consumption. In addition, the optimal bandwidth of the receiver is identified for high-speed communication. Finally, the required signal-to-noise ratio is discovered for error-free communication. Chapter 2 designs and implements the integrated circuit of the 80-GHz broadband on-off keying receiver for inter-chip wireless communication requiring low power and high speed, and verifies 20-Gbps data transmission by using the TLY-5 substrate. The experiment proves that this receiver circuit features energy efficiency of 2.3 pJ/bit, which is the lowest among the state-of-the-arts. Chapter 3 designs and implements the integrated circuit of the 60-GHz band on-off keying receiver for high-speed beamforming to enable indoor, high-speed, short-range and wireless video transmission. Moreover, the receiverintegrated circuit is packaged by FR-4 substrate, and it is tested that it can be integrated with a beamformer for 7 Gbps high-speed communication. In order to regain the broadband characteristics of the entire receiver, a gain equalization technique is employed, and this chapter introduces the circuit applied for implementation. Furthermore, beamforming technology must be adopted for indoor video transmission in a free direction, and a received signal strength indicator in a wide range is required for interactions. By adopting the gain equalization technique, the sensitivity variation reduces to below 2 dB, and it is verified that 8 Gbps data transmission and energy efficiency of 2.58 pJ/bit can be achieved in the PRBS length of 231-1. As a result, it is confirmed that it can be integrated with a high-speed beamformer. Finally, Chapter 4 summarizes and concludes this dissertation.
본 학위 논문은 밀리미터파 대역 저전력 및 광대역 온-오프 변조 수신기 연구에 관한 학위
논문이다. 밀리미터파 대역은 기저대역보다 대역폭 넓기 때문에 기가비트 초고속 통신을 구현하기
적합하다. 밀리미터파의 파장이 저주파밴드보다 짧기 때문에 인덕터를 집적 회로로 구현이
가능하다. 이러한 장점 때문에 초고속 통신 어플리케이션을 타겟으로 많은 연구가 진행 중이다.
하지만 밀리미터파 특성상 패스손실이 크기 때문에 장거리보다는 근거리에서의 통신에 적합하며
실내 공간 또는 고정된 단 거리에서의 통신에 적합하다. 본 학위 논문에서는, 두 종류의 저전력
초고속 통신용 밀리미터파 대역 온-오프 변조 수신기를 설계하고 성능을 검증한다. 첫 번째로는
고정된 공간에서의 어플리케이션인 칩 간 무선통신용 온-오프 변조 수신기를 설계하고 검증하며,
두 번째로는 근거리 Gbps 데이터 통신을 위한 초고속 빔형성용 온-오프 변조 수신기를 설계하고
검증한다.
본 학위 논문은 4개의 챕터로 구성되어 있다. 1장에서는 밀리미터파 주파수 대역에서 수신기의
필요성을 설명하고, 저전력을 구동하기 위해서 왜 온-오프 변조방식이 필요한지에 대해서
설명하고자 한다. 또한 초고속 통신을 위한 수신기의 최적의 대역폭을 도출한다. 마지막으로 에러
없는 통신을 위해 필요한 신호 대 잡음비를 도출한다. 2장에서는 초고속 저전력 통신 특성이
요구되는 칩 간 무선화를 위해, 80 GHz 광대역 온-오프 변조 수신기 집적회로를 설계 및 제작하고,
TLY-5 기판 패키징을 통해 20 Gbps의 초고속 통신을 검증하였다. 측정 결과, 2.3 pJ/bit의 에너지
효율을 가지며 state-of-the arts 중에서 가장 낮은 에너지 효율을 보이는 수신 회로임을
입증하였다. 3장에서는 실내 초고속 근거리 무선 영상전송을 목적으로 60 GHz 초고속 빔형성용
온-오프 변조 수신기 집적회로를 설계 및 제작하였다. 수신기 집적회로는 FR-4 기판을 이용해
패키징 후 검증하였으며, 7 Gbps의 초고속 통신을 위하여 빔 형성 회로에 집적할 수 있음을
확인하였다. 수신기 전체의 광대역 특성을 회복하기 위하여 이득 균등화 기법을 적용하였으며,
구현을 위해 적용된 회로를 소개하였다. 또한 자유로운 방향으로의 실내 영상전송을 위해서는 빔
형성 기술을 적용해야 하는데, 상호작용을 위해 광범위의 수신 신호 강도 표시기가 요구된다. 20
dB의 범위를 갖는 수신 신호 강도 표시기를 설계하였다. 이득 균등화 기법을 통해 신호 감도의
변화를 2 dB 이내로 낮췄으며, PRBS 231-1 패턴 기준으로 8 Gbps의 데이터 전송이 가능하며 2.58
pJ/bit의 에너지 효율을 보이는 것을 확인하였다. 결과적으로 빔 형성 회로와 집적할 수 있음을
확인하였다. 마지막으로 4장에서 논문 내용을 요약하고 마무리한다.
