As the demand for high-speed communication increases, a millimeter-wave radio system with a data rate of Gb/s is required to achieve a high data transmission rate and a low latency. Especially, 60GHz wireless communication has been being introduced to be suitable for Gb/s wireless system due to the wide frequency band of 57~66GHz composed of four channels with a channel bandwidth of 1.76GHz each. Thus, 60GHz-wireless system are being used in a variety of applications requiring high speed and low latency, such as wireless displays, wireless VR / AR HMDs and high speed NFC.
However, the 60 GHz frequency band has high oxygen absorption and high free space path loss (FSPL). Also, a receiver with wide channel bandwidth requires more signal-to-noise ratio (SNR). Therefore, to overcome these degradations, a power amplifier with high output power of the TX system is essential. In addition, a high QAM modulation scheme is generally used to increase the data rate of a wireless system. Such a high QAM modulation scheme requires a low error vector magnitude (EVM) to satisfy the SNR required by the overall system rink. Therefore, a high linear power amplifier with low signal distortion is required to implement a high QAM modulation scheme.
Therefore, in this paper, we proposed the Adaptive Impedance Compensation Linearizer (AICL), which can improve the linearity, power efficiency and signal distortion of the proposed CMOS PA simultaneously. Thus, a 60-GHz 1-way CMOS power amplifier using the proposed AICL was designed and proposed PA has $0.16mm^2$ of chip size. The simulated peak gain of proposed PA where the linearizer-on, was 22.0 dB, which has 2dB loss compared to case of the linearizer-off. And 3-dB bandwidth of proposed PA has 18 GHz of 54.4~72.4 GHz, and simulated S11 and S22 were satisfied to under -10dB at overall operation frequencies (57~66 GHz). The simulated peak OP1dB and peak PAE at P1dB of proposed PA where the linearizer-on, were 13.0dBm and 17.1%, which increased 3.1dBm and 7.2% respectively compared to case of the linearizer-off. In addition, the simulated peak AM-AM at IP1dBLin.on-6dB and peak AM-PM distortion at IP1dBLin.on of proposed PA, were 0.1dB and -1.7 degree, which improved by 0.7dB and 3.1 degree respectively compared to case of the linearizer-off. Furthermore, the simulated IMD3 and ACPR of proposed PA where 3dBm Pout, were and -40.7 dBc and -52.7dBc, which improved by 7.6 dBc and 8.4 dBc respectively compared to case of the linearizer-off.
고속 통신의 요구가 증가함에 따라, 이에 부합하는 높은 데이터 전송속도 및 낮은 지연 속도를 달성하기 위해서는 데이터 속도가 Gb/s 급인 밀리미터파 무선 시스템이 필요하다. 특히 60GHz 무선 통신은 채널 대역폭이 1.76GHz 인 4 채널로 구성된 57 ~ 66GHz의 넓은 주파수 대역으로 인해 Gb/s 무선 시스템에 적합한 것으로 소개되고 있다. 따라서 60GHz 무선 시스템은 무선 디스플레이, 무선 VR/AR HMD 및 고속 NFC 등과 같이 고속 및 낮은 지연 속도가 요구되는 다양한 응용 분야에 사용되고 있다.
그러나 60 GHz 주파수 대역은 높은 산소 흡수 및 높은 자유 공간 경로 손실 (FSPL)을 가지고 있다. 또한 넓은 채널 대역폭을 가지는 수신기에는 더 많은 신호 대 잡음비 (SNR)가 필요하다. 따라서 이러한 열화를 극복하기 위해서는 TX 시스템의 고출력을 가지는 전력증폭기가 필수적이다. 또한, 높은 QAM 변조 방식은 일반적으로 무선 시스템의 데이터 전송률을 높이기 위해 사용되고 있는데, 이러한 높은 QAM 변조 방식은 전반적인 시스템이 요구하는 SNR을 만족시키기 위해 낮은 EVM (Error Vector Magnitude)을 요구한다. 따라서 높은 QAM 변조 방식을 구현하기 위해서는 신호 왜곡이 적은 고 선형성 전력 증폭기가 필요하다.
따라서 본 논문에서는 제안 된 CMOS PA의 선형성, 전력 효율 및 신호 왜곡을 동시에 개선 할 수 있는 적응형 임피던스 보상 선형화 회로를 제안했다. 제안된 선형화기가 사용된 60GHz 대역 1-way CMOS 전력증폭기를 설계하였고, 이는 $0.16mm^2$의 칩 크기를 가졌다. 그 결과로, 선형화기를 켰을 때, 제안된 전력증폭기는 껐을 때와 비교해서 2dB 이득 손실을 가지며, 22.0dB의 이득과 54.4~72.4GHz의 18GHz 3-dB 대역폭을 가졌다. 시뮬레이션 된 S11 및 S22는 전체 동작 주파수(57 ~ 66 GHz)에서 모두 -10dB 이하를 충분히 만족하였다.
전력 시뮬레이션에서 제안된 전력증폭기는 선형화기를 켰을 때, 13.0dBm의 OP1dB 및 17.1 %의 P1dB에서 PAE를 가졌고, 이는 션형화기가 꺼져있는 경우에 비해 각각 3.1dBm 및 7.2 % 가 증가하였다. 또한, 제안된 전력증폭기는 0.1dB의 IP1dBLin.on-6dB 에서의 AM-AM 신호 왜곡 및 -1.7도의 IP1dBLin.on에서의 AM-PM 신호 왜곡을 가졌고, 이는 선형화기가 꺼졌을 경우와 비교하여 각각 0.7dB 및 3.1도가 향상되었다. 또한 동작 점인 3dBm 출력 전력에서의 3rd 상호 변조 왜곡 (IMD3)와 인접 채널 전력 비율(ACPR)은 선형화기를 켰을 때, -40.7dBc 및 -52.7dBc 였으며, 이는 선형화기가 꺼졌을 경우에 비해 각각 7.6dBc 및 8.4dBc 향상되었다.
