In recent years, the demand for high-speed wireless communication technology, such as mobile wireless network and WLAN (wireless local area networks), has greatly increased. The emerging 60 GHz band is believed to be a great candidate for wireless communication systems. For the 60 GHz transceiver systems, the research has been conducted by using CMOS-based technology and III-V device technology such as HBTs and HEMTs.
There has been another approach to implement a wireless transceiver system based on the quantum-effect-based device technologies. Especially, the microwave oscillators based on RTDs (resonant tunneling diodes) recently have demonstrated the extremely low-power operation. Because of the inherent NDR (negative differential resistance) characteristic of RTDs achieved at a low bias voltage and a low current, the RTD-based oscillators show the low DC power consumption. However, the RTD-based oscillator produces low output power due to the small device areas for suppressing bias oscillations. To enhance the output power, various power combining techniques, such as using the waveguide and the circuit-based technique, have been conducted.
In this thesis, 4-RTD power combining oscillators are designed at 40 GHz and 60 GHz. To verify the power combining efficiency, 2 RTD power combiner and single RTD oscillator are designed. The measurements show the unexpected results that the low frequency oscillations occur with the low level power. The parallel parasitic capacitance of via holes with the interconnected ground plane and the fabrication variation of the CPW line were considered to be the main causes of the low frequency oscillation and the low level output power, respectively.
The main causes of the unexpected results were successfully analyzed. The compensated ADS simulation results were consistent with the measurement results and the analysis of the measurement results were sufficiently acceptable. Therefore, if the fabrication is conducted based on redefined design regulations, 60 GHz power combining oscillators are expected to be achieved with desired performances.
최근, 모바일 모선 네트워크와 WLAN 같은 초고속 무선 통신 기술에 대한 요구가 크게 증가하고 있다. 60 GHz 밴드는 무선통신 시스템의 차기 연구대상으로 여겨지고 있으며 60 GHz 송수신 시스템은 CMOS 기반 연구와 HBT, HEMT 와 같은 III-V 화합물을 통해 연구되고 있다.
또 다른 연구방법으로 양자역학 효과를 이용한 소자를 이용한 송수신 시스템의 연구가 진행되고 있다. 특히 Resonant Tunneling Diode(RTD)를 이용한 마이크로웨이브 발진기가 저전력 소모 특성을 가지고 구현된 바 있다. RTD 는 낮은 전압, 전류에서 고유의 특성인 Negative Differential Resistance (NDR) 특성을 가지고 있어 RTD 기반 발진기는 매우 낮은 DC 소모 특성을 가지고 있다. 하지만, RTD 기반 발진기는 원치 않는 바이어스 기생 발진을 없애기 위해 작은 소자 사이즈로 제작되어 낮은 출력전력을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 Waveguide 구조를 사용하거나 회로 레벨 기술이 적용되고 있다.
본 연구에서는 4개의 RTD 의 출력 전력을 결합한 발진기를 40 GHz, 60 GHz 에서 디자인 하였다. 그리고 전력 결합 효율을 비교하기 위해 단일 발진기와 2개의 RTD 를 결합한 발진기를 설계하였다. 측정결과는 안정성을 위해 추가한 CPW line 의 Via hole 과 그라운드면의 연결 구조로 인해 발생한 기생 커패시턴스와 공정상의 오차로 인해 디자인한 주파수보다 낮은 주파수에서 저전력 출력을 보여주었다.
이러한 결과에 대해 분석을 하여 시뮬레이션에 반영하였고 측정한 결과와 같은 시뮬레이션 결과를 얻었다. 따라서 차기 공정에 분석한 내용을 반영하여 RTD 기반 발진기를 제작할 경우 원하는 성능을 얻을 수 있을 것이라 예상된다.
