A fully-integrated 79 GHz 4-channel phased array pulse compression radar in a CMOS technology is presented. On the basis of the availability of the ultra-wide bandwidth (UWB) of 4 GHz at the frequency of 79 GHz, pulse compression scheme is adopted to im-plement compact and simple mm-wave radar systems on a die.
Pseudo-noise (PN) codes are generated to make phase modulated waveforms and pulse compression scheme is adopted to obtain high spectral density and lower the TX leakage. The length of the PN codes can be changed using a variable-length PN code generator ac-cording to detection distances. For short distances, short-PN codes will be used to reduce TX leakage and, long-PN cods will be used to increase processing gain for long distances.
To obtain 2-D information, RF beamforming structure is used and 4-ch phased array re-ceiver is implemented. Each channel consists of a low-noise amplifier (LNA) with noise fig-ure of 7.8 dB, a phase shifter, and a RX buffer. The phase shifter based on digital attenua-tor based vector-sum type has intrinsic variable-gain function. It provides a root-mean-square (RMS) phase error of $6.74^\circ$ with a phase resolution of $11.25^\circ$. The gain dynamic range and resolution are 21 dB and 3 dB, respectively, with a RMS gain error of 1.89 dB. The phase shifter also has high linearity and maintains low phase and gain errors at high in-put powers. There are IQ sub-harmonic mixers, baseband variable-gain amplifiers (VGAs), and correlators after combining signals from each channels. Analog correlation method is adopted to reduce the ADC bandwidth burden which is main problem of UWB phase modulated radar. Total noise figure of the receiver is 12 dB.
In digital circuits, there are a clock generator, a delay circuits, and two variable-length PN code generators for RX and TX, respectively. It can generate four-kinds of PRIs (128, 256, 384, and 512-ns), six-kinds of PN codes (3.5, 7.5, 15.5, 31.5, 63.5, and 127.5-ns) and delay steps of 500 psec.
Based on the designed 4-channel receiver and digital circuits, transmitter, serial peripheral interface (SPI), and bias circuits are integrated. Finally, the fully-integrated 79 GHz 4-channel phased array pulse compression radar CMOS front-end IC is realized.
본 논문에서는 CMOS 공정을 이용하여 고집적된 79 GHz 4 채널 위상 배열 펄스 압축 레이더가 구현되었다. 79 GHz 에서는 4 GHz 에 해당하는 초광대역의 신호를 생성하기 쉽고, 펄스 압축 레이다 구조를 적용하여 작은 면적에 칩을 구현할 수 있다.
위상 변조 신호를 생성하기 위한 유사 난수 잡음 코드가 생성 되었으며, 높은 스펙트럼 효율을 만족하면서 송신 누설 신호 문제가 적은 펄스 압축 레이더 구조를 채택하였다. 유사 난수 잡음 코드는 측정하고자 하는 거리에 따라 길이가 조절되게 하였다. 가까운 거리 측정에 대해서는 짧은 길이의 코드를 사용하여 송신 누설 신호 문제를 완화하였고, 먼 거리 측정에 대해서는 길이가 긴 코드를 사용하여 코드 이득을 높이고자 하였다.
거리 및 방향 정보를 검출하기 위해 RF 빔포밍 구조를 사용하였으며 4채널 수신단이 구현되었다. 각 체널은 저잡음 증폭기, 위상 천이기, 버퍼로 구성되었으며 저잡음 증폭기의 잡음 지수는 7.8 dB 이다. 위상 천이기는 디지털 감쇠기를 기반으로하는 벡터-합 방식의 구조는 사용하였으며, 이득을 조절할 수 있는 기능이 있는 것이 특징이다. 제안된 위상 천이기는 rms 위상 오차가 6.74, 위상 분해능이 11.25를 만족하였다. 이득 분해능과 범위는 각각 3 dB, 21 dB 이며 rms 이득 오차는 1.89 dB 이다. 제안된 위상 천이기는 높은 선형성을 맍고하여 높은 파워의 신호가 들어오더라도 위상 오차를 낮게 유지할 수 있는 장점이 있다.
각 채널에서 받은 신호는 Wilkinson combiner를 통해 합쳐지고 IQ 하모닉 혼합기, 기저대역 가변 이득 증폭기, 상관기를 거쳐 최종 출력을 내게 된다. 상관기는 아날로그 방식으로 설계되어 뒷 단에 오는 ADC의 대역폭 사양을 줄여주었다. 수신단 전체 잡음 지수는 12 dB 이다.
디지털 회로에는 클락 생성기, 지연 회로, 가변 유사 난수 잡음 코드 생성기가 포함된다. 디지털 회로는 총 4가지 PRI (128, 256, 384, 512-ns)를 생성할 수 있으며 총 6가지 유사 난수 잡음 코드(3.5, 7.5, 15.5, 31.5, 63.5, 127.5-ns)를 생성 할 수 있다. 지연 간격은 500 psec 이다.
위에서 설명한 4 채널 수신단, 디지털 회로를 기반으로 송신단, SPI, 바이어스 회로가 모두 집적되어 하나의 칩으로 구현되었다.
