With very large bandwidth availability and high resolution characteristics at millimeter-wave (mm-wave), the developments of short range radars (SRR) at 79 GHz are thought to open up new horizon of automotive sensor industrial markets. The 79 GHz band with -3 dBm of the highly specified power spectral density (PSD) can also obtain a high signal-to-noise ratio (SNR) and extend the maximum detection range. On the basis of these charac-teristics, silicon based 79 GHz radar front-ends adopted a phase modulated (PM) scheme has been progress in implementing compact and simple mm-wave radar systems on a die. However, the recent works have limitations on integrating RF blocks using frequency mul-tipliers without a voltage controlled oscillator (VCO) to mitigate the burden of a VCO hav-ing a wide tuning range and a low phase noise characteristic.
At first, a fully-integrated W-band 4 GHz bandwidth (BW) pseudo-noise (PN)-coded pulse compression radar transmitter in a CMOS technology is presented. The PN-coded pulse compression scheme is adopted to obtain high spectral density and to lower the TX leakage using a 63 bit PN code generator based on linear feedback shift registers (LFSRs). We propose a sub-harmonic pumped pulse former and a pulsed PA for high TX efficiency with the suppression of LO/2LO leakage. A frequency synthesizer including a frequency divider chain generates a sub-harmonic LO signal as well as a 5 GHz digital clock. Digital blocks with the PN-code generator are synchronized with the clock signal, which makes all pulses start with the same phase. The proposed transmitter achieves 14.5 dBm maximum output power with the tuning range of 75 ~ 81.3 GHz, and the phase noise is -95.2 dBc/Hz at a 1-MHz offset in the range of LO frequencies. In pulse mode, it generates a 4 GHz BW RF pulse signal, which corresponds to a range resolution of 7.5 cm, and the average dc power dissipation is 160 mW.
Finally, the first fully-integration of the ultra-wideband (UWB) W-band pulse compres-sion radar transceiver CMOS front-end is realized based on the designed transmitter. The transceiver achieves 14.5 dBm peak output power in the range of 75 ~ 81 GHz and a 7.5-GHz BW RF pulse, and is capable of measuring two targets 7-cm apart. The UWB radar module is implemented using a transmission line to waveguide transition. The implemented radar module can detect the target at distances of under 30 m.
밀리미터 대역의 넓은 대역폭은 거리 분해능의 특성과 함께 초고속 통신이 가능케 하면서, 밀리미터 대역을 이용한 다양한 레이더 센서 시스템 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 최근 할당된 -3 dBm/MHz 의 높은 허용 송신 전력을 갖는 79 GHz 대역은, 기존에 할당된 24 GHz 대역과 비교해서, 최대 40 dB 이상의 더 높은 출력 전력을 방사하도록 허용하였으며, 이는 결국 높은 신호대잡음비를 갖게 하여 최대 측정 거리를 확대시켜 주고 측정시간을 단축 시킬 수 있게 한다. 따라서 고집적도를 갖는 CMOS 공정 기반의 79 GHz 대역 레이더 프론트 엔드의 개발이 활발하게 이뤄지고 있다. 하지만 밀리미터 대역의 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator)를 CMOS 공정 기반으로 설계하는 데에는 낮은 위상 잡음과 넓은 동작 주파수 대역을 갖지 못하는 한계가 있기 때문에, 최근의 논문을 살펴보게 되면 79-GHz 대역의 위상 변조 레이더를 구성은 VCO를 제외한 RF 회로를 집적하는 데에 그치고 있다.
이를 극복하기 위해서, 본 논문에서는 먼저 근거리 차량용 레이더 응용분야에 적용 가능한 79 GHz 대역의 의사 잡음 부호를 이용한 펄스 압축 방식의 레이더 송신단의 구조를 제안하고 이를 CMOS 공정으로 설계하여 동작 여부를 검증하였다. 의사 잡음 부호를 이용한 펄스 압축 방식은 높은 전력 스펨트럼 밀도를 갖게 하면서 송신 누설 신호를 낮출 수 있기 때문에 개발된 레이더 회로에 적용하였다. 또한 LO/2LO 누설 신호를 제거함과 동시에 높은 송신단 효율을 갖기 위해서, 저조파 투여 펄스 형성기와 전력 증폭기를 제안하였다. 저조파 투여 펄스 형성기는 두 개의 차동 전류 재사용 회로를 이용하여 저조파 신호를 2진법의 위상 변조된 기본 주파수 펄스로 높은 효율로 바꿔주도록 제안하였으며, 개별 회로를 검증하였다. 또한 전력 증폭기는 두 쌍의 증폭단을 트랜스포머를 이용하여 적은 전력 손실로 결합하도록 제안하여, 79 GHz 대역에서 높은 출력 전력과 동시에 펄스 동작을 통해서 평균 전력을 획기적으로 줄이는 역할을 하게 하였으며 개별 회로를 구성하여 검증하였다. 주파수 분할기를 포함하는 주파수 생성기는 고조파 신호를 만들 뿐만 아니라 5 GHz 대역의 디지털 회로 구동 클럭을 생성시켜주는 역할을 위해 집적하였다. 의사 잡음 부호 생성기를 포함하는 디지털회로는 이러한 클럭 신호와 동기화 되어 반복되는 생성되는 신호들은 같은 위상을 갖게 된다. 이렇게 구성된 송신단은 최대 14.5 dBm의 출력 전력과 함께 75 ~ 81.5 GHz의 넓은 동작 주파수 대역에서 4 GHz의 넓은 대역을 사용하는 펄스 생성을 하였으며, 이러한 펄스 신호는 1 MHz의 오프셋에서 -95.2 dBc/Hz 의 낮은 위상 잡음을 갖게 되었다.
제안한 송신단을 토대로 초광대역의 79 GHz 펄스 압축 레이더 송수신단을 CMOS 공정을 이용하여 세계 최초 개발하였으며, 제안한 회로는 송신단, 수신단, 주파수 생성기 및 디지털 회로를 모두 포함하였다. 집적한 수신단은 최대 65 dB의 다이내믹 레인지를 가지면서, 13 dB의 낮은 잡음 지수를 갖는다. 새롭게 제안한 LO 분배 회로는 소형으로 제작 하면서도 높은 포트 간 격리와 함께 높은 전력을 분배하게 되었다. 높은 안테나 이득을 갖는 레이더 모듈을 구성하기 위해 도파관 안테나를 사용하였으며, 칩에서 발생하는 출력 전력을 적은 전력 손실로 도파관으로 변이하는 기술을 적용하기 위해Teflon 기판과 도파관을 제작하였으며, 이를 레이더 모듈을 구성하는 데에 적용 하였다. 이렇게 개발된 79-GHz 대역의 펄스 압축 레이더 송수신단 회로는 7.5 GHz 대역을 차지하는 펄스를 최대 14.5 dBm의 순간 출력 전력으로 생성하여, 실제 동작 검증을 통해서 최대 30 m 거리 안의 7 cm 떨어진 다중 물체를 구분해내는 데에 성공하였다. 이를 통해서 CMOS 기반의 레이더 센서의 가능성을 확인 할 수 있었다.
