This thesis proposes a simple transmitter structure at 60GHz, and implements it fully integrating all necessary functions in LTCC SoP(System On a Package). The presented transmitter SoP integrates an antenna, modulator, and oscillator in it with the dimension of 26$\times$18$\times$0.6 $mm^{3}$. The proposed transmitter structure uses ASK modulation at sub harmonic frequency (30Ghz), and multiplies the modulated signal to 60GHz band. By using this structure, the modulator can be implemented at a relatively lower frequency, and the tx mmic amplifiers are replaced with just one frequency multiplier mmic. Therefore the total number of mmics for the transmitter is reduced, and cost effective transmitter package is possible. The measurement results verify that the sub harmonic modulation structure is suitable for the high data transmission at 60GHz.
The internal functional block consists of oscillator, attenuator, modulator, coupler, frequency multiplier, transition, and antenna. Commercial mmics are used for frequency multiplier, oscillator, and attenuator. Beside them, the antenna, transition, coupler, modulator, and resonator for the oscillator mmic are designed and measured in this thesis.
A simultaneously on/off matched reflection type ASK modulator with high on/off ratio is proposed. The modulator uses conventional rat race and two shottky diodes and functions as a switch. The matching procedure for the switch on and off state simultaneously is derived and proposed. With the matching procedure, the influence of the harmonic generated by the diode on the impedance at fundamental frequency is studied, and used for the design of modulator. The measured on/off ratio is more than 30dB. Two layer of LTCC is used for the modulator, and the size is about 11$\times$11$\times$0.2$mm^{3}$. Beside the conventional rat race, the SMD type of multi layer misalign insensitive Machand balun is proposed as well
The oscillator mmic chosen for this thesis needs external resonator. It was implemented on the LTCC substrate as a Substrate integrated circular resonator. 3 layer of LTCC is used for the resonator.
Two types of antenna is designed and measured. The first one is conventional 2by2 and 4by4 rectangular patch array antenna. Total three layers of LTCC is used and the dimension for the 2by2 is 10$\times$10$\times$0.3$mm^{3}$, and 4by4 is 20$\times$20$\times$0.3 $mm^{3}$. The measured gain is about 7dB and 14dB respectively.
A surface wave reduced higher mode circular patch antenna is designed. Because the dielectric constant of the used LTCC is high and the substrate height 0.3mm is large enough for surface wave to cause problem at 60GHz, surface wave reduced type got interest. From the condition that the lateral far field component of circular patch is zero, the surface wave reduction condition for TM12 mode is derived. And the dielectric constant for the simultaneously meet the SWR and resonance is found. 2by2 array SWR antenna is measured.
A capactively compensated shielded via transition is designed for the connection antenna to the active circuit placed the other side. The transition connects the embedded micro-strip line on the first layer to the micro-strip on the first layer. The capacitance generated by the via end point is positioned to compensate the via inductance. And the radiation loss is reduced by using the shielding ground vias.
The transmitter integrating all the components mentioned above is measured, and the measured results verifies the sub harmonic frequency ASK modulation structure. The output spectrum at 60Ghz from the antenna output is proved to have little harmonic component with on/off shift digital IF input even after the frequency multiplication as expected. The data rate of 800mbps signal is successfully transmitted using the designed transmitter and demodulated using a commercial non-coherent envelop detection down converter with ber of $10^{-11}$.
본 논문에서는 간단한 구조를 가지는 저가 소형의 60GHz 송신기 구조를 제안하고 이를 LTCC technology 를 이용 하여 SoP 형태로 구현하고 송수신 시험을 통해 그 구현의 유효성을 검증 하였다. 제안된 송신기는 안테나, ASK 변조기, 발진기 등의 소자들을 26$\times$18$\times$0.6 $mm^{3}$ 크기의 6 층 LTCC SoP 로 집적하였다. 제안하는 송신기 구조에서는 입력된 digital 신호를 저조파 주파수(30GHz)에서 direct ASK 변조 시키고, 그 신호를 주파수 체배기를 이용해 60GHz 대역으로 체배 시켜 송신하는 구조를 가진다. 이러한 송신기 구조를 사용 함으로서, ASK 변조기를 상대적으로 낮은 주파수에서 구현 할 수 있었으며, 여러 개의 송신 증폭을 위한 mmic 들을 한 개의 주파수 체배기 mmic 로 교체 할 수 있었다. 따라서 송신기 구성에 필요한 총 소요 mmic 숫자가 적어지며, 작고 저가형의 60GHz 송신기의 구 현이 가능 하였다. 위상잡음 특성에 둔감한 ASK 변조 방식을 사용함으로써 30GHz 의 free running 타입의 발진기를 적은 면적에 통합 할 수 있었다.
구현된 60GHz 송신기 SoP 는 안테나, 변조기, 발진기를 포함한 송신에 필요한 mm-wave 기능을 모두 통합하여 외부와의 interface 는 DC 전원과 digtal IF 입력 만으로 되어있어, 실제 시스템에 응용 시 mm-wave interface에서 야기되는 transition 문제 또는 전송선로 특성 등을 고려하지 않고도, 여타 저주파 package 들과 동일하게 시스템에서 사용될 수 있다는 장점을 가진다.
구현된 송신기는 내부에 발진기, 감쇄기, 변조기,Coupler, 주파수 체배기, 상하 기판의 연결을 위한 transition, 발진기를 위한 공진기 등을 포함하며, 60GHz 주파수 체배기, 발진용 mmic 및 attenuator 를 제외한 모든 구성 부품들은 LTCC기판 위에 설계 및 구현 되었다.
설계 제작된 ASK 변조기에서는 on/off ratio 를 안정적으로 확보하기 위해 180$\deg$ rat race를 사용해 sum port와 delta port와의 isolation특성을 이용 했 으며, 또한 on 상태와 off 상태의 임피던스를 동시에 메칭 시킬 수 있는 설계 flow 를 제안하고 시뮬레이션과 측정을 통해 그 유효성을 보였다. 또한 diode 에서 발생되는 고조파 성분에 대한 종단효과가 기본파 성분의 임피던스에 영향을 줌을 두 가지 다른 방법을 통해 검증하고 이를 이용하였다.
제작된 발진기는 상용 mmic 를 기본으로 하여 substrate integrated circular resonator를 3 층의 LTCC에 구현하여 발진기를 제작 하였다.
SoP 구현의 마지막 회로로 안테나가 설계 제작 되었다. 먼저 2by2 및 4by4의 rectangular patch array antenna를 구현 했다. 각각 10$\times$10$\times$0.3$mm^{3}$ 및 20$\times$20$\times$0.3 $mm^{3}$에 구현되었으며 약 7~14dB의 gain을 갖는다. 또한 표면파(surface wave)에 의한 간섭 및 기생 방사 특성 등에 대한 개선으로써 surface wave reduced 타입의 TM12 mode의 circular antenna를 제작 및 측정하였다. Surface wave 줄이기 위한 circular patch의 조건을 유도하였으며, 특정한 유전율의 기판에서는 surface wave reduction 조건이 TM12 모드의 공진 조건과 일치 함을 기술하고, 사용된 LTCC기판의 유전율이 그 조건과 흡사하여 TM12 mode의 circular patch를 설계함으로 써 surface wave가 현저히 줄어 듦을 보였다. 송신기 SoP 의 면적을 최소화 하기 위해 안테나를 LTCC package 의 하층면에 위치 시켰으며 상층면의 신호와의 연결을 위한 69GHz 대역의 via transition 을 설계하였다. 총 5 층을 관통하는 via 의 inductor 를 상쇄시키기 위해 via 를 세 부분으로 나누어 각 각 연결부에 capacitor 성분을 형성 시켜 inductance 를 상쇄하고 정합을 하는 구조를 사용 하였다.
제안한 구조의 송신기를 설계된 회로들을 이용해 총 6 층의 LTCC 에 구현하고 상용 안테나와 spectrum analyzer 를 이용해 60GHz 대역의 송신 신호의 spectrum 을 관찰 했으며, 상용 안테나와 수신기, BERT, 오실로스코우프등을 이용 송신기의 신호를 복조 하였으며 eye pattern 과 ber 을 측정하였다. 800mbps digital IF입력 신호에 대해 제작된 송신기에 의해 변조 및 체배된 60GHz 신호의 spectrum 을 관찰한 결과, 제안한 송신기 구조에서 출력 파형에 대한 왜곡이 눈에 띄지 않음을 확인 하였으며, ber 측정 결과 $10^{-11}$의 값을 얻었다.
본 논문에서는 소형 및 저가의 구현이 가능한 저조파 ASK 변조 및 주파수 체배를 이용한 새로운 60GHz 대역의 송신기 구조를 제안 하였으며, 그 제안한 구조를 상용 mmic 와 LTCC 에 설계된 회로들로 6 층의 LTCC SoP 에 집적하고 상용 수신기 및 복조기를 이용 제안한 조에 대한 유효성을 검증 하였다. 제안된 저가 소형의 송신기 구조는 60GHz 시스템의 사용에 있어서 가격 및 사이즈 측면에서 매우 유리한 위치를 가질 것으로 전망된다.
