Even since wireless communication started, there always exists demand for higher data rate. This demand becomes stronger with an appearance of the smartphone. Due to high quality video streaming, already mobile data traffic have dominated mobile voice, leading to interest on Gbps data speed for wireless communication which results in massive researches on CMOS based millimeter-wave communication, especially using 60 GHz. With lots of efforts from all over the world, recently, commercial millimeter wave solutions began its shipments and are expected to dominate the market in few years. As a mandatory function for 60 GHz radio, beamforming plays a key role in overcoming the challenges of CMOS based 60 GHz transceiver.
In this thesis, in realizing 60 GHz beamforming receiver, to overcome the high insertion loss and power consumption of previous work, two low loss phase shifters are presented. Firstly, as a unit phase shifter, highly integrated 90° filter type phase shifter is proposed. By integrating the HPF into the center of LPF, ±0.18° of in-band flatness with -5 dB of low loss is achieved. Secondly, in order to solve the low combining efficiency of a conventional vector sum phase shifter which results from the limited isolation to dummy transistors, a new phase shifter is developed to work without dummy transistors. Using a TSMC 65nm CMOS process, 3 dB of average gain is achieved while consuming 8 mW of DC power.
In case of a gain amplifier and a low noise amplifier, taking advantages from a current reuse technique, 4 stage common source amplifier provide 20 dB of gain, impedance bandwidth from 57 ~ 64 GHz for both input and output. Noise figure of low noise amplifier is less than 8 dB for the system bandwidth. Even a high order modulation can provide a better performance, it comes with a high system complexity and power consumption. Therefore, in this beamforming receiver, a simple OOK scheme is adapted. By utilizing 7 GHz of available bandwidth, the OOK demodulator provides more than 3 Gbps of data rate while consuming 25 mW of DC power.
Before full chip integration, array performance is verified by Antenna-in-Package. With a combination of TLY based quasi-yagi antenna, FR4, and wire-bond as interconnections, 2-element beamforming receiver is developed for both 60 GHz beam pattern, and BB spectrum measurement. The quasi-yagi antenna shows 8 dBi of gain with wide input impedance bandwidth from 50 ~ 65 GHz. From this process, the proper beamforming function is verified within ±50° range compared to the simulation.
After all verification process from a MMIC level to AiP level, 4-element low power OOK beamforming receiver is designed using TSMC 65nm CMOS process. When integrating array on CMOS, crossovers are inevitable for providing AC grounded DC supply. In order to overcome this issue, the ground of the Wilkinson combiner is placed over the DC bias line. The characteristic impedance of the Wilkinson combiner is set to 35 ohm due to the lowered height in transmission line. 4-way passive combiner is constructed by cascading 1-stage 2-way Wilkinson combiner, and provides 9 dB of S21 with over 20 dB of return loss from 50 ~ 70 GHz bandwidth. Since the performance of the beamforming receiver is determined by the 1-channel RF chain which is composed of LNA, PS, Wilkinson combiner, and GA in this receiver, simulations are carried out. This provides full impedance bandwidth from 57 ~ 64 GHz for both input and output, -7dBm of OP1dB, 30 dB of high gain, and full 360° phase shifting range while operating over 3 Gbps data rate and consuming 97 mW of DC power.
무선통신 기술의 출현 이후로, 이동통신 시장의 폭발적인 성장에 힘입어, 더 빠른 전송속도에 대한 요구는 다양한 무선 통신 기술을 개발을 이끌어 왔다. 최근에는 스마트폰의 등장과 함께, 고화질 영상의 스트리밍 서비스가 기하급수적으로 증가하면서, 모바일 데이터 트래픽이 모바일 음성 트래픽을 압도하는 형국에 이르렀으면, 이러한 추세는 영상의 고화질화와 더불어 계속 지속될 전망이다. 이러한 시대적 흐름으로 인해, 2000년도 초반부터, 밀리미터파 기반의 고속 데이터 통신에 대한 연구가 전세계적으로 진행되어왔으며, 이러한 노력의 결실로 최근에는 CMOS 기반의 상용 제품이 출시되고 있다. 최대 7Gbps의 전송속도를 보장하는 밀리미터파 대역 고속 무선통신 기술에 있어서, 빔 형성 기술은 CMOS 밀리미터파 송수신기의 한계를 극복하는 요소로서, 필수적으로 구현되어야 할 기술이다.
본 논문에서는 이러한 밀리미터파 대역 빔 형성 수신기의 구현에 있어서, 선행 연구들이 갖는 높은 전력소모의 한계를 극복하고자, 저손실 위상천이기를 제안하였다. 첫째로, 단위 위상 천이기로서, 90° 고집적 필터형 위상 천이기를 제안하였다. 제안하는 구조는 기존 구조가 갖는 높은 삽입손실과 나쁜 대역내 삽입 특성을 개선할 수 있는 구조로, ±0.18°의 평탄도를 가지며, -5 dB의 삽입 손실 특성을 보인다. 둘째로, 가장 널리 사용되는 기존의 벡터 합 위성천이기의 낮은 합성 효율을 극복하기 위하여, 새로운 구조의 벡터 합 위상 천이기를 제안하였다. 기존의 구조는 벡터 합으로 360°를 표현하기 위하여, 위상 축을 구성하는 4개의 트랜지스터가 상시 연결되고, 동작 시에 2개만 구동되는 방식이었으나, 이러한 방식은 밀리미터파 대역에서 동작하지 않는 트랜지스터의 드레인쪽으로 보이는 임피던스가 유한하기 때문에, 낮은 합성 효율을 보였다. 이러한 문제점을 극복하고자, 2개의 축만으로 360°를 표현할 수 있는 벡터 합 위상 천이기를 제안하였으며, TSMC 65nm 공정으로 구현하여, 8 mW의 적은 전력을 소모하면서, 기존의 State-of-the-art 대비 높은 3dB의 이득을 보였다.
이득 증폭기(GA)와 저 잡음 증폭기(LNA)의 경우, 전류 재활용 기법을 적용하여, 4 단의 Common Source 증폭기가 8 mW의 낮은 전력을 소모하면서도 20 dB의 높은 이득을 갖는다. 또한, 입출력 임피던스 대역은 57 ~ 64GHz의 전 대역을 모두 만족하며, 저 잡음 증폭기의 경우 대역 내에서 최대 8 dB의 잡음 특성을 갖는다.
높은 차수의 변복조 방법을 채용하면, 고성능의 송수신기 구현이 가능하지만, 시스템 복잡도와 전력소모가 같이 증가한다는 점이 있기 때문에, 제안하는 구조에서는 OOK 방식의 복조기를 채택하였다. 7 GHz의 넓은 가용 대역폭을 활용하여, 3 Gbps 이상의 전송속도를 구현하면서도, 25 mW의 낮은 전력을 소모하였다.
상기 빔 형성 구성 소자들은 단일 측정을 통한 성능 검증 외에도 FR4 기반의 PCB 공정을 활용하여 시스템 보드를 제작하고, 이 위에 Taconic TLY-5 기판을 PCB 공정을 통한, 1x2 배열 야기 우다 안테나와 Wilkinson combiner를 제작하여, MMIC 칩들과 wire-bonding으로 함께 집적하여, 2 배열 빔 형성 수신기를 AiP 상태에서의 성능 검증을 수행하였다. TLY 기판을 이용한 야기 우다 안테나는, 50 ~ 65GHz에 해당하는 넓은 입력 반사손실 특성을 갖고, 8 dBi에 해당하는 이득을 갖는다. 본 검증 과정을 통해해서, 빔 형성 동작이 제대로 수행되고 있음을 60 GHz의 single tone 빔 패턴 측정과, BB 스펙트럼 측정을 통하여 검증하였다.
상기의 검증 과정을 통하여, 마지막으로 모든 단위 소자들을 집적하여, 4 배열 빔 형성 수신기를 설계하였다. Array 집적에 있어서, 빈번하게 발생하는 Crossover를 극복하기 위하여, on-chip Wilkinson combiner를 설계에 있어서, Metal 5를 ground로 활용하고, DC 바이어스 회로들을 ground 밑으로 배치 함으로써 Crossover 문제를 극복하였다. 이로 인해, Wilkinson combiner를 구성하는 전송선로의 높이가 낮아짐으로써 특성 임피던스가 낮아지는 현상은, Wilkinson combiner의 특성 임피던스를 35옴으로 특정함으로 해결하였다. 설계된 4-way Wilkinson combiner는 50 ~ 70GHz 대역에서 20 dB에 가까운 반사손실 특성을 가지며, 총 9dB의 삽입 손실로, 순수하게 약 3dB에 해당하는 손실을 보인다.
빔 형성 회로의 특성은 단일 채널의 s-parameter 특성을 통해서 확인하였다. LNA-PS-Wilkinson combiner-GA로 구성되는 이 회로는 57 ~ 64 GHz에 해당하는 넓은 입출력 반사손실과, 30 dB에 해당하는 높은 이득 특성을 가지며, 총 360°위 위상 천이가 가능한 특성을 보인다. 설계된 4 배열 빔 형성 수신기는 총 97 mW의 낮은 전력을 소모하며, 3 Gbps 이상의 전송속도를 보장하는 회로로, 저전력이 매우 중요한 모바일 기기에 매우 적합한 회로이다.
