As the demand for high-speed communication increases, the mm-wave band is being considered increasingly considered. In particular, the unlicensed 60-GHz band (57 to 71 GHz) based on IEEE 802.11ay, is expected to be used in fields where a broadband spectrum is required for wireless AR/VR, wireless backhauls, and high-resolution radars. Recently, the fine beam-scanning technologies using large-scale phased arrays have been developed to widen the coverage and capacity in the mm-wave. However, they also require stringent circuit-level specifications due to the combination of multiple TX/RX channel combinations. The errors between elements result in increased sidelobes and equivalent isotropic radiated power (EIRP) loss in the scanned beam, causing the multipath fading and lowering the received signal-to-noise ratio (SNR). In addition, the large power consumption of several TX elements directly affects the reducing the operating time for mobile applications, so that the TX must provide the sufficient output power while ensuring the high efficiency.In this dissertation, a high-efficiency millimeter-wave CMOS phased-array transmitter for short-range wireless communication is proposed. For latency-free immersive wireless AR/VR, we aim to support the uncompressed >4K video transmission corresponding to data rate of >12 Gbps utilizing the several wide channels within 57 to 71 GHz. Considering the low-power/-cost systems for simplex wireless communication at 3-m distance, a 4-element phased-array transmitter supporting 16-QAM operation was implemented in CMOS 65-nm process. To improve both the linearity and the back-off power efficiency of the TX, an on-chip analog predistortion linearizer and an adaptive biasing network were proposed and integrated into the PA. And a frequency-selective vector-sum phase shifter (FS-VSPS) and a complementary-Gm compensated (CGC) variable gain amplifier that can have low RMS error in the wideband while finely controlling gain and phase, were proposed. In addition, a heterodyne I/Q up-converter with suppressed LO feedthrough and image leakages, was proposed to improve yield and minimize signal distortions of the TX. Based on proposed building blocks, a beamforming transmitter with an antenna-in-package capable of the beam steering was implemented, and the over-the-air (OTA) test was performed to evaluate the beam-steering and beam-tapering. Finally, the QPSK/16-QAM error vector magnitude (EVM) performance was finally verified in OTA test.This dissertation is organized of 5 chapters as follows. Chapter 1 is introduction. In chapter 2, the detail design of CMOS power amplifier with analog predistortion is discussed, and the implementation of PA with measurements are presented. In chapter 3, the high-efficiency 4-element phased-array transmitter IC is presented and measurements of the implemented TX are also provided. In chapter 4, array antenna design and over-the-air measurements of the beamforming transmitter with antenna-in-package is presented. Finally, the conclusion of this study is presented in Chapter 5.
고속 통신에 대한 수요가 증가함에 따라 밀리미터파 대역 활용의 고려가 증가하고 있으며, 특히 IEEE 802.11ay 기반의 비 면허 60 GHz 대역(57-71GHz)은 무선 AR/VR, 무선 백홀, 고해상도 레이더 등 광대역 스펙트럼이 필요한 분야에서 활용될 전망이다. 최근 들어 밀리미터파 대역에서 적용 범위와 수용력을 넓히기 위해 대규모 위상 배열을 활용한 미세 빔 스캐닝 기술들이 개발되고 있다. 하지만 이러한 위상 배열은 여러 송신기/수신기 채널 결합의 조합으로 인해 엄격한 회로 수준 사양을 요구하며 요소 간의 오차로 인해 스캔 된 빔에서 사이드 로브가 증가와 등가 등방성 복사 전력 손실이 발생하여 다중 경로 페이딩이 심화되고 수신 신호 대 잡음비가 낮아진다. 또한 여러 송신기 요소의 큰 전력 소비는 모바일 애플리케이션의 작동 시간 단축에 직접적인 영향을 미치므로 송신기는 높은 효율을 보장하면서 충분한 출력 전력을 제공해야 한다.본 논문에서는 근거리 무선통신용 고효율 밀리미터파 CMOS 위상배열 송신기를 제안한다. 지연 없는 몰입형 무선 AR/VR을 위해 57-71GHz 내의 여러 넓은 채널들을 활용하여 >12 Gbps의 데이터 속도의 >4K 비압축 비디오 전송을 지원하는 것을 목표로 한다. 3 m 거리의 단방향 무선통신용 저전력/저비용 시스템을 고려하여 16-QAM 동작을 지원하는 4 요소 위상 배열 송신기를 CMOS 65-nm 공정으로 구현하였다. 송신기의 선형성과 백오프 효율성을 개선하기 위해 온칩 아날로그 전치왜곡 선형화기와 적응형 바이어싱 네트워크가 함께 제안되어 PA에 통합되었고, 광대역에서 낮은 RMS 오차를 가지면서 이득과 위상을 미세하게 제어할 수 있는 주파수 선택 벡터 합 위상 천이기와 상보적-Gm 보상 가변 이득 증폭기가 제안되었다. 또한 송신기의 수율을 개선하고 신호 왜곡을 최소화하기 위해 LO 피드 스루 및 이미지 누설 신호가 억제된 헤테로다인 구조의 I/Q 주파수 상향 변환기를 제안하였다. 제안된 빌딩 블록들을 기반으로 빔조향이 가능한 안테나 인 패키지가 있는 빔포밍 송신기를 구현하였고, 빔조향 및 빔테이퍼링 성능 평가를 위해 송신기 무선 테스트를 수행하였다. 마지막으로 송신기의 QPSK 및 16-QAM EVM 성능을 최종 검증하였다.본 논문은 다음과 같이 총 5장으로 구성되어 있다. 1장은 서론을 나타내며, 2장에서는 아날로그 전치왜곡을 갖는 CMOS 전력증폭기의 세부 설계에 대해 논의하고 측정 결과와 함께 전력증폭기의 구현을 제시한다. 3장에서는 고효율 4 요소 위상 배열 송신기 집적회로를 소개하고 구현된 송신기의 측정 결과를 제공한다. 4장에서는 어레이 안테나 설계와 안테나 인 패키지를 갖는 빔 형성 송신기의 무선 측정 결과를 보여주며, 마지막으로 5장에서 본 연구의 결론을 제시한다.
