Recently, there has been an increasing demand rapidly for a smart mobile phone with high performance. Also, a millimeter-wave (mm-wave) frequency band, especially 60 GHz unlicensed band with 7 GHz wide bandwidth becomes a good solution to support multi-gigabit wireless data transmission within very short distances based on the simplest modulation schemes like on-off keying (OOK) modulation. There are two main challenges to apply the 60 GHz systems in the battery operated mobile devices such as a mm-wave CMOS IC with low power and small chip size and a mm-wave system-in-package (SiP) with low loss, small size, and simple implementation. In mm-wave CMOS IC, a new architecture for a 60 GHz CMOS OOK modulator by current reuse and a dual modulation technique has 28.4 dB high on/off isolation, 9.9 dB gain at 60 GHz, and 1.5 dBm high OP1dB with 14.4 mW DC power consumption at the on-state of an OOK baseband signal. A data rate of up to 2 Gbps has also been measured. It can substitute for a power amplifier and an up-conversion mixer in a conventional 60 GHz OOK transmitter. A proposed 60 GHz CMOS OOK demodulator with a gain-boosting technique for higher conversion gain has a measured conversion gain of 13.6 dB at -16 dBm of input power, a voltage responsivity of 2434 mV/mW with 14.7 mW power dissipation, and the measured maximum data rate of 5 Gb/s. The proposed 60 GHz CMOS OOK modulator and demodulator help make possible wireless multi-gigabit data transmission within 1m distance using mobile devices with a low power of the 60 GHz OOK transceiver. Also, a proposed slow-wave microstrip line designed in CMOS technology with a high relative permittivity of 25 and a high quality factor from 18 to 37.7 between 20 and 60 GHz reduces the size of CMOS chip about 61.6%. In mm-wave SiP using LTCC material, a proposed new type of grounded coplanar waveguide (GCPW) to rectangular waveguide transition accomplished by inserting a bent short stub in an LTCC multi-layer structure for 60 GHz applications has the very low insertion loss of 0.345 dB at 59 GHz and the covered bandwidth of 6.3 GHz. The proposed transition structure with very low loss and simple implementation is suitable for a SiP of 60 GHz mobile applications.
Wireless video transmissions between the 60 GHz system modules with the developed 60 GHz OOK CMOS chips and LTCC transition structure have been demonstrated. It is anticipated that this will make possible wireless multi-gigabit data transmission within short distance using a 60 GHz OOK transceiver and LTCC SiP with very low DC power dissipation, gigabit data rate processing, and simple implementation.
현재 국내 대부분의 사람들이 이동단말기를 보유하고 있으며, 그 중 최근 고성능 smart phone의 수요가 급증하고 있다. 이는 이동단말기를 통하여 단순히 음성 및 문자 통신 뿐 아니라, 다양한 멀티미디어의 이용이 가능해 졌다. 이러한 멀티미디어의 용량은 점차 대용량화 되어가고 있는 추세이며, 그 수요 또한 증가하고 있는 현실이나, 현 마이크로파 대역의 기술은 기술적, 주파수 자원적 한계를 가지고 있어, 대용량 멀티미디어 파일을 무선으로 전송시키기에는 여러 한계성을 가지고 있다. 이에 대한 대안으로 7 GHz 의 넓은 가용 주파수 대역을 가지고 있는 밀리미터파 대역의 60 GHz 기술이 각광받고 있다. 이 대역은 OOK 변조방법과 같은 간단한 변조방식에도 Gbps 급 대용량 파일의 고속 무선전송이 가능한 기술이다. 이러한 60 GHz 기술을 이동단말기에 집적시켜, 이동단말기를 통해 Gbps 급의 데이터의 무선 송수신을 가능케 하기 위해서는, 크게 밀리미터파 대역의 저가격, 저전력, 초소형 CMOS IC 기술과 밀리미터파 대역의 저손실, 저가격 System-in-Package 기술이 가장 중요한 과제이다.
본 논문을 통하여 제안하는 밀리미터파 대역의 60 GHz CMOS OOK 변조기는 90 nm CMOS 공정을 통해 제작 되었으며, current re-use 구조와 dual modulation 방법을 적용하여, 14.4 mW 전력소모 시 60 GHz 대역에서 28.4 dB의 높은 on/off isolation 특성과, 9.9 dB의 이득, 1.5 dBm의 높은 출력 특성을 얻었으며, 2 Gbps 데이터 처리가 가능하다. 이는 일반적인 OOK 송신기의 전력증폭기와 주파수변환기의 역할을 동시에 할 수 있다. 이와 더불어, 제안된 60 GHz CMOS OOK 복조기는 130 nm CMOS 공정을 통해 제작 되었으며, gain-boosting 기술을 적용시켜 낮은 입력신호크기에도 높은 변환이득을 얻을 수 있었다. 14.7 mW 전력소모 시, -16 dBm 입력일 때 13.6 dB의 높은 변환이득과 2434 mV/mW의 높은 voltage responsivity 특성을 얻었으며, 5 Gbps의 데이터 처리가 가능하다. 추가로, CMOS chip의 초소형화를 위하여 새로운 microstrip line 구조의 slow-wave 전송선로를 제안 및 개발하였으며, 일반 CMOS 공정을 이용하여 25의 높은 상대유전율과 밀리미터파 대역에서 18 - 37.7의 높은 Q-factor를 얻었다. 이는 전체 CMOS chip의 크기를 61.6% 줄일 수 있는 효과를 나타낸다.
이동단말기에 적용 할 수 있는 밀리미터파 대역의 SiP 기술로는, 저가격과 밀리미터파 대역에서 재료의 저손실 특성, 높은 삼차원 집적가능도, 그리고 SiP 모듈로의 수동소자 집적가능성이 높은 LTCC 재료를 이용하여, 평판전송선로와 도파관 사이의 변환장치를 제안 및 개발 하였다. 간단한 구조를 이루고 있는 bent short stub을 변환장치에 삽입시켜, 간단한 변환구조로도 매우 작은 변환손실을 가질 수 있었다. 측정결과 60 GHz 대역에서 0.345 dB의 낮은 삽입손실과 6.3 GHz의 넓은 대역폭 특성을 얻었으며, 이는 구현이 간단하면서 작은 변환손실을 통하여 LTCC를 이용한 60 GHz SiP 모듈이 이동단말기에 적용될 수 있는 가능성을 보여 준다.
최종적으로, 제안한 60 GHz CMOS OOK 변조기, 복조기, 그리고 LTCC 변환구조가 적용된 60 GHz OOK 송수신기 SiP 모듈을 개발하여, 실제 비디오 무선전송 시연을 성공 하였다. 응용기술에 따라서 DVD 플레이어와 TV 간의 장거리 대용량 비디오 무선 전송시연을 위해선 높은 이득특성을 보이는 horn 안테나가 필요하고 이를 모듈에 연결시키기 위해, 개발한 LTCC 를 이용한 변환구조를 LTCC 모듈에 적용시켜 3 m 이상의 거리에서 비디오 무선전송 시연에 성공 하였다. 또한, 배터리로 동작하는 저전력 기반의 이동단말기를 이용한 단거리 무선 데이터 통신을 위하여, 제안한 60 GHz CMOS OOK 변복조기를 실장 시킨 60GHz LTCC 송수신 모듈을 개발하여, 20 cm 단거리에서 비디오 무선전송 시연에 성공 하였다. 이는 60 GHz CMOS OOK 송수신기와 이를 집적시킨 LTCC SiP 모듈을 이용하여 단거리에서 저전력 Gbps 급의 무선데이터 전송이 가능성을 보여주며, 나아가 배터리로 동작하는 이동단말기에 적용 가능을 시사한다.
