Recently, motion sensor technologies are drawing a lot of attention world-wide thanks to the advent of IOT(Internet of Things) and smart sensor technologies. In general, PIR(Passive Infrared) sensors have been employed to design motion sensors for in-door applications because of its affordable implementation cost ,despite its short detection range and temperature-susceptible characteristic. Here, a motion sensor implemented through CMOS radar, partly designed and integrated by the author, is suggested. The radars for motion sensor applications have only been used for high-end applications due to its high implementation cost and large power consumption compared with PIR, which is affordable and consuming very low power. To solve these problems of radars for motion sensor applications, the radar proposed here takes advantage of pulse operation, and is implemented through CMOS process. It is important to make large power-consuming block operated in short period pulse to lower power consumption. Therefore, two pulses were used - one is for Rx/VCO, 2% duty cycle, and the other is for PA, only 0.2 % duty cycle, which was able to decrease power consumption remarkably. Also, as this radar system was fabricated using CMOS process, it makes whole circuit easier to integrate with other parts, which could reduce mass-production cost much even compared with PIR sensor. To prevent large amount of PA current fluctuation during pulse operation from hampering Rx/VCO pulse operation, gnd for PA was separated from the others. Suggested radar system was designed to use Doppler effect to detect movement of targets. Operation frequency was set to 24 GHz(K-Band) considering FCC regulation and its corresponding antenna size. As VCO determines overall operation of whole radar system, it was designed to have wide frequency tuning range and large negative gm value to guarantee its operation. Buffers between blocks make circuit robust to following stage input impedance, which made impedance matching easier.
In addition to this, resitively coupled 24 GHz VCO was designed. There has been a lot of research on 24 GHz K-Band radar since this frequency band can be used as short range radar(SRR) for automotive radar applications. What makes proposed structure distinct is it can generate any phase shift from 0 to 90˚. If running frequencies of two 24 GHz VCOs are set to 24 +$\Delta$f GHz and 24 -$\Delta$f GHz respectively, these two resistively coupled VCOs both resonate at 24 GHz, establishing some phase shift. The phase difference increases with the value of $\Delta$f. Phase noise of each VCO was -90 dBc/Hz at 1 MHz offset, with 7 mA DC power consumption per each VCO. Output buffers for 50 ohm matching was designed. This VCO structure might be used in phase-modulation applications and phased array applications.
TSMC 0.13 $\mu$m RF CMOS process was used in designing above circuits.
최근 모션 센서 기술이 IOT 기술과 스마트 센서 기술의 도입으로 많은 관심을 모으고 있다. 일반적으로 PIR 센서가 다소 부족한 성능에도 저렴한 생산비용 때문에 실내용 센서로 널리 쓰이고 있다. 본 논문에서는 CMOS radar를 통해 구현된 모션센서가 소개 되고 있다. 레이다를 이용한 모션센서는 주로 고금형 제품에 이용이 되어 왔는데, 그 이유는 전력 소모가 크고 생산 비용이 높기 때문이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 레이다는 펄스 동작을 이용해 구현을 하고자 하였고 CMOS 공정을 이용하고자 하였다. 전력 소모를 낮추기 위해서는 전력 소모가 큰 블록을 짧은 pulse로 이용해 구현하는 것이 중요하다. 따라서, 두 종류의 펄스가 이용되었다. Rx/VCO용으로는 2%의 CLK이, Tx와 PA용으로는 0.2%의 CLK이 이용되었다. 그리고 이를 이용해 전력소모를 크게 낮출 수 있었다. 또한, 이러한 레이다 시스템이 CMOS 공정을 이용해 구현되었기에, 다른 회로들과 integration이 되기 쉽다는 장점이 있다. 추가적으로, Tx 동작의 pulse 동작으로 인한 전압 fluctuation을 막기 위해 PA용 ground는 다른 회로 블록의 그라운드와 별도의 블록을 이용한다. 제안된 레이다 시스템은 도플러 효과를 이용해 대상의 움직임을 감지하고자 하였다. 작동주파수는 ISM 밴드 중에서 FCC 규격을 고려해 24 GHz로 선택 되었다. VCO가 레이다 시스템의 작동에 있어 중요한 역할을 하기 때문에, 넓은 tuning range를 가지고 큰 gm값을 가지게 하여 작동을 보장하고 자 하였다.
추가적으로, 24 GHz 커플링 VCO가 설계되었다. 24 GHz 주파수 대역은 차량용 근거리 레이다 application으로 주로 이용이 되기 때문에, 많은 관심사가 모아지고 있다. 본 논문에서 제안된 Coupled VCO를 이용하면 두 VCO의 주파수를 적절히 tuning 해주면, 24 GHz 대역에서 0도 부터 90도까지의 phase 차이를 형성해 줄 수 있다.
