The increasing demand for high resolution target detection in short range radar applications requires the use of an ultra wide band (UWB) signal. The UWB signal can be generated by a pulsed wave or by a frequency modulated continuous wave. For the resolution of several centimeters, a sub-nanosecond pulse or a frequency sweep up to several GHz is required. A UWB signal source is an important building block in such systems because it determines the pulse width and the bandwidth of the transmitted signal. In this thesis, a UWB pulse generator and a UWB PLL are presented for the UWB signal generation.
A fast transient response pulsed oscillator is proposed for the implementation of the UWB pulse generator. The pulsed oscillator is switched on by a glitch signal only for a short duration, so as to make a UWB pulse. A pulse shaping filter makes the oscillator output fall into the Federal Communications Commission (FCC) spectral mask. The pulse generator is fabricated using a 0.18 μm CMOS process. The core chip has a size of 0.11 $mm^2$. The measurement results demonstrated sub-nanosecond pulse duration with low energy dissipation and high-peak amplitude. It shows pulse duration of about 500 ps with -10 dB bandwidth of 4.5 GHz from 5.9 to 10.4 GHz. The energy consumption is 27.6 pJ per pulse with a peak-to-peak amplitude of 673 mV on a 50Ω output load.
A UWB ring VCO with a level shifter is proposed for the implementation of the UWB PLL. A design guide for the optimization of the UWB ring VCO is presented to maximize the tuning range and to minimize the power consumption. The UWB ring VCO with the level shifter is fabricated using a 0.18 μm CMOS process. The VCO demonstrated ultra wide tuning range from 0.85 to 10.01 GHz with the power consumption from 2.2 to 32.4 mW. The VCO requires 0V tuning voltage that can be a problem in a PLL application because a charge pump output can not operate properly with 0V tuning voltage if a negative supply is not used. This problem is obviated using the level shifter. The UWB PLL is fabricated using a 0.18 μm CMOS process. The chip has a size of 0.68 $mm^2$. The fabricated PLL demonstrated ultra wide locking range 6.85 GHz which covers the operation frequency from 1.79 to 8.64 GHz with the power consumption from 57 to 86 mW.
Time delays of several coaxial cables are measured by using the frequency modulated continuous wave (FMCW) radar principle. The FMCW signal is generated by the fabricated UWB PLL with direct digital synthesizer (DDS) based linearization. The measurement results are compared with that by a network analyzer. The measurement results demonstrate the high accuracy and high resolution capability of the UWB FMCW signal generator using the UWB PLL with DDS based linearization.
The measurement results of the UWB signal sources in this thesis show superior performances compared with previously reported UWB signal sources. The proposed UWB signal sources are expected to be useful for low cost, low power, and high performance UWB radio systems.
최근 근거리 레이더를 이용한 고해상도 물체감지, 고해상도 위치 인식 시스템에 대한 수요가 늘어가고 있다. 해상도는 전송 신호의 주파수 대역과 관련이 있는데, 고해상도 특성을 위해서는 광대역 신호원이 필요하다. 광대역 신호를 생성하는 방법은 크게 펄스를 이용하는 방법과 연속적인 주파수 모듈레이션을 이용하는 방법이 있다. 최근의 근거리 레이더 응용들은 대부분 cm단위의 해상도를 요구하는 경우가 많은데, cm단위의 해상도를 위해서는 수백ps 단위의 펄스폭 또는 수 GHz단위의 주파수 모듈레이션이 필요하다. 초광대역 신호원은 이러한 시스템에서 전송 신호의 펄스폭 또는 주파수 대역폭을 결정하므로 시스템의 성능을 결정하는 매우 중요한 구성 요소이다. 이 논문에서는 펄스방식의 초광대역 신호원에 대한 연구와 주파수 모듈레이션 방식의 초광대역 신호원에 대한 연구를 모두 진행 하였다.
펄스방식의 초광대역 신호원을 구현하는 방법 중 펄스 오실레이터를 사용하는 방법은 신호가 필요한 경우에만 전력 소모가 일어나므로 효율적으로 펄스를 발생 시킬 수 있다는 장점이 있어서 최근에 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 기존의 펄스 오실레이터는 과도응답특성이 느리다는 단점이 있어서 수백 ps단위의 초광대역 신호를 만드는 데는 적합하지 않다. 본 논문에서는 펄스 오실레이터의 과도응답속도를 극대화하기 위해 과도응답 속도에 영향을 미치는 펄스 오실레이터의 파라미터를 분석 하였으며, 발진기의 Q팩터가 작아질수록 빠른 과도응답특성을 얻을 수 있음을 알 수 있었고, 작은 Q값을 가지는 링 오실레이터 구조를 이용하여 빠른 과도응답 특성을 가지는 펄스오실레이터를 제안하였다. 제안된 펄스오실레이터를 이용하여 6-10 GHz 대역의 초광대역 신호 발생기를 설계 하였으며, 0.18 μm CMOS 공정을 이용하여 제작 하였다. 측정된 칩의 출력 스펙트럼은 FCC (Federal Communications Commission) 의 초광대역 시스템에 대한 전력제한 조건을 완벽하게 만족 시켰고, 그 동안 논문지상으로 발표된 6-10 GHz 대역의 초광대역 신호 발생기중 가장 큰 출력 파형과 가정 적은 전력소모를 보였다.
주파수 모듈레이션을 사용하는 초광대역 신호원은 초광대역 PLL을 이용하여 구현 할 수 있다. 초광대역 PLL의 구현을 위해서는 초광대역 VCO가 필요한데, 링VCO는 초광대역 VCO의 구현에 가장 좋은 회로 구조이다. 기존의 링VCO는 낮은 동작속도로 인해 FCC 또는 ETSI (European Telecommunications Standards Institute)에서 할당하고 있는 3-10 GHz 또는 2.2-8 GHz 대역을 커버할 수 없거나 매우 큰 전력소모가 필요하다는 문제점이 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결 하기 위해 최대의 튜닝범위와 적은 전력소모를 갖도록 하기 위한 최적의 링VCO설계 방법을 제안 하였으며, 0.18 μm CMOS 공정을 이용하여 제작 하였다. 제안된 방법을 이용하여 설계된 링VCO는 0.85-10.01 GHz의 튜닝 범위를 보여 기존에 논문지상으로 발표된 결과 중 가장 넓은 튜닝범위와 가장 적은 전력소모를 보였다. 여기서, 최적화된 링VCO는 0V의 튜닝전압을 필요로 하게 되는데, 이는 음의 전원을 사용하지 않을 경우 PLL 의 charge pump가 제대로 동작 할 수 없음을 의미하며, 초광대역 PLL의 구현을 어렵게 만드는 요인이 된다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 레벨쉬프터를 제안하였으며, 0.18 μm CMOS 공정을 이용하여 1.792-8.640 GHz에 이르는 넓은 동작범위를 가지는 초광대역 PLL을 구현 할 수 있었다. 제작된 PLL은 같은 공정을 이용하여 제작된 기존의 PLL중 가장 넓은 연속튜닝범위를 보였다.
제작된 초광대역 PLL은 DDS (Direct Digital Synthesizer)를 이용하여 선형화 되었고, 이를 이용하여 케이블의 딜레이를 측정하였다. 측정된 딜레이가 네트웍 아날라이저를 이용하여 측정된 케이블의 딜레이와 매우 적은 오차 범위 내에서 일치함을 확인할 수 있었다.
본 논문에서 제안한 CMOS 초광대역 신호원들은 그 성능에 있어서 기존의 결과들보다 우월한 특성을 보였고, 고해상도 근거리 레이더 시스템의 성능향상과 보급에 기여할 것으로 기대 된다.
