This dissertation is about a 60-GHz band CMOS dual polarization MIMO receiver IC for short-range wireless communication with Gbps data rate. For wireless VR/AR, it is necessary to be able to transmit and receive video with a resolution of 4K or higher without a codec, and the corresponding data rate is 12 Gbps or higher. Since the 60-GHz band has a channel bandwidth of 2.16 GHz and a wide bandwidth of up to 14 GHz is allocated worldwide, it is very suitable for this application. In addition, if the dual polarization MIMO technique using the two orthogonal polarizations of the antenna is used, two data can be transmitted and received with a single antenna size using the dual polarization antenna, so the number of antennas can be reduced by half compared to the single polarization MIMO technique. Moreover, there is an advantage that the channel capacity can be doubled while using the same frequency band. However, performance of an actual dual-polarized MIMO system rapidly deteriorates due to misalignment between the transmit and receive antennas, finite cross-polarization isolation of the dual-polarized antenna, and increased cross-polarization leakage due to multipath. Therefore, a polarization leakage cancellation technique for eliminating cross-polarization leakage is necessarily required. In this dissertation, we proposed a polarization alignment technique capable of eliminating cross-polarization leakage even with large cross-polarization signals. And by extending it to a phased array, the polarization leakage due to multipath was also eliminated.
This dissertation consists of 6 chapters. In Chapter 2, the implementation of a 60-GHz band heterodyne IQ demodulator for receiver integration was described. The heterodyne IQ demodulator includes IQ gain and phase calibration circuits, which achieves 44 dBc of image rejection. In Chapter 3, the polarization alignment technique proposed in this dissertation was introduced and analyzed mathematically. The polarization alignment technique proposed in this study improves the degraded cross-polarization isolation by aligning the V and H polarizations through vector modulation of the V and H polarization signals. Compared to the reported polarization leakage cancellation techniques, leakage cancellation is possible even when the cross-polarization signal is larger, and it can be implemented with low power and small area. In Chapter 4, a 60-GHz RF polarization aligner was designed and implemented to verify the proposed polarization alignment technique, and a dual polarized antenna was fabricated and integrated with an antenna and package (AiP). In Chapter 5, based on the results analyzed in Chapter 4, the proposed technique was extended to a phased array to implement a receive phased array IC and AiP composed of two dual polarized antennas. As a result of the measurement, cross-polarization isolation of more than 20 dB for both V- and H-polarization paths in channel 1 of the 60 GHz band was achieved thanks to the proposed polarization alignment technique even though the transmit and receive antennas were misaligned from 0 to 90°. The proposed receive array is the first receive phased array to which polarization leakage cancellation technique is applied while supporting dual polarization MIMO in the 60 GHz band. Finally, Chapter 6 summarizes and concludes the dissertation.
본 학위 논문은 Gbps 급 데이터 전송률을 갖는 단거리 무선 통신을 위한 60-GHz 대역 CMOS 이중 편파 MIMO 수신기 IC에 관한 학위 논문이다. 무선 VR/AR을 위해서는 4K 이상의 해상도를 갖는 동영상을 무압축으로 무선 송수신 할 수 있어야 하며, 이에 대응되는 데이터 전송률은 12 Gbps 이상이다. 60-GHz 대역은 2.16 GHz의 채널 대역폭을 갖고, 전 세계적으로 최대 14 GHz의 넓은 대역폭이 할당되어 있으므로, 이러한 응용에 매우 적합하다. 여기에 더해서 안테나의 두 직교 편파를 이용한 이중 편파 MIMO 기법을 사용하면 이중 편파 안테나를 이용해 단일 안테나 크기를 유지하면서도 2개의 데이터를 송수신 할 수 있으므로, 단일 편파 MIMO 기법과 비교하여 안테나 숫자를 절반으로 줄일 수 있다. 또한 동시에, 동일 주파수 대역을 사용하면서 채널 용량을 2배로 향상시킬 수 있다는 장점도 있다. 그러나, 실제로 구현되는 이중 편파 MIMO 시스템은 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 비 정렬, 이중 편파 안테나의 유한한 교차 편파 격리도, 그리고 다중 경로에 의한 교차 편파 누설의 증가 때문에 성능이 급격히 열화 되며 반드시 교차-편파 누설을 제거하기 위한 편파 누설 제거 기법이 필요하다. 본 학위 논문에서는, 저전력이면서도 교차-편파 신호가 큰 상황에서도 교차 편파 누설 제거가 가능한 편파 정렬기법을 제안하였으며, 이를 위상 배열로 확장하여 다중경로에 의한 편파 누설도 제거하였다.
본 학위 논문은 6개의 챕터로 구성되어 있다. 2장에서는 수신기 집적을 위한 60-GHz 대역 헤테로다인 구조 IQ 복조기의 구현에 대하여 설명하였다. 헤테로다인 IQ 복조기는 IQ 이득 및 위상 교정 기능이 포함되어 있으며, 덕분에 44 dBc의 이미지 제거를 달성하였다. 3장에서는 본 연구에서 제안하는 편파 정렬 기법에 대하여 소개하고, 이를 수식적으로 분석하였다. 본 연구에서 제안하는 편파 정렬 기법은 V 편파 신호와 H 편파 신호의 벡터 변조를 통해 V 및 H 편파를 정렬해줌으로써 열화 된 교차 편파 격리도를 향상시켜주는 기법으로, 기존 발표된 이중 편파 MIMO에서 제안되었던 편파 누설 제거 기법들과 비교하여 교차 편파 신호가 더 크게 들어오는 경우에도 누설 제거가 가능하며, 저전력 및 작은 면적으로 구현이 가능하다. 4장에서는 제안된 편파 정렬 기법을 검증하기 위한 60-GHz 대역 RF 편파 정렬기를 설계 및 구현하고, 이중 편파 안테나를 제작하여 이를 안테나 및 패키지로 집적하였다. 5장에서는 4장에서 분석된 결과를 바탕으로 이를 위상 배열로 확장하여 2개의 이중 편파 안테나로 구성된 수신 위상 배열 집적 회로 및 안테나 패키지를 구현하였다. 측정 결과, 60 GHz 대역의 채널 1에서 V 편파 및 H 편파 경로 모두 20 dB 이상의 교차 편파 격리도를 송신 및 수신 안테나가 0도부터 90도까지 틀어짐에도 제안된 편파 정렬 기법을 통해 달성하였다. 제안된 수신 배열은 60 GHz 대역에서 이중 편파 MIMO를 지원하면서 편파 누설 제거 기법이 적용된 최초의 수신 위상 배열이다. 마지막으로 6장에서 논문 내용을 요약하고 마무리한다.
