This study describes a four-element beam-tapering phased array transmitter and 60 GHz upconversion mixer for 60 GHz full-band wireless communications. For applications such as uncompressed video data transmission requiring transfer rates up to 18 Gbps, four channels of 60 GHz frequency band are bundled to send a lot of data. We will design a 16QAM transmitter with a date-rate of up to 18 Gbps and a 1 $\times$ 4 phased array for a 3m transmission distance through 4-channel bonding and 16QAM modulation. When using this 4-channel bonding technique, there are problems such as gain flatness, multi-path problem, and squint effect. The phased array in this study should have wideband characteristics, and also try to reduce the side-lobe level to -20dB to solve the multi-path problem. To achieve this, the gain of each element was non-uniformly assigned and the ratio was set to 1/3: 1: 1: 1/3 (5dB in dB scale). Through EVM calculation, the signal loss due to squint was found to be less than 0.5dB in the 1 $\times$ 4 phased array, and the target values of RMS gain and phase error were set to less than 0.5dB and less than $9^\circ$, respectively. To achieve this error, we need a VGA with a phase compensation. The proposed VGA requires an additional 5dB gain control for beam-tapping while compensating for the gain error of the phase shifter. In addition, the proposed VGA is designed to help improve the linearity through the DS method. This VGA was integrated into a phased array using a commercial 65nm CMOS process, and the chip size of the whole array is 1.82mm $\times$ 1.58mm, consuming a total of 403.2mW. The RMS gain and phase error are less than 0.53dB and less than $8.8^\circ$ in the whole 60GHz band. Beam-forming and beam-tapping radiation patterns were measured by integrating with a 1 $\times$ 4 Teflon antenna. When the phase change was applied at $22.5^\circ$, $45^\circ$, $90^\circ$, and $135^\circ$, the emitted beam was formed into $6$ ~ $9 ^\circ$, $16$ ~ $17^\circ$, $22$ ~ $27^\circ$, and $35$ ~ $43^\circ$ depending on the frequency. The maximum squint is 8 degrees at both ends of the frequency band, and the gain difference is less than 1 dB, which is consistent with the EVM calculation. The beam-tapping was measured at the center frequency of 62 GHz, and the side-lobe level was improved by 2.2 to 5.2 dB when the phase change was applied to $0^\circ$, $45^\circ$, $90^\circ$, and $135^\circ$. This value is different from 8.7dB calculated by Array Factor. The reason for this is found to be due to the gain and phase mismatch of the feeding lines in the bond-wire and array antenna during the packaging process.
An up-conversion mixer and a buffer amplifier are designed for a 60GHz 16QAM heterodyne transmitter. In converting an IF signal with a wide bandwidth of 9 GHz around a 20 GHz center frequency into an RF signal of 60 GHz, how flat a gain can be is the most important design direction. A Gilbert-cell type mixer without the Gm stage was adopted for a high linearity and a wideband characteristic. This is because the IF signal is applied directly toward the source of the switching stage to enable input matching in a very wide frequency band, and at the same time, lead to an improvement in linearity by securing a voltage headroom. The gain flatness of the fabricated mixer was measured below $\pm$ 0.6dB in the 57 ~ 66GHz frequency band, and OP1dB was measured below -1.7dBm. The 60 GHz buffer amplifier uses a 2-stage CS architecture, and the first stage is matched at 57 GHz and the second stage at 66 GHz for wide frequency characteristics. In the second stage, power matching through load-pull simulation was performed so that OP1dB reaches up to 6dBm. The gain flatness of this buffer amplifier is measured below 0.3dB at 57 ~ 66GHz.
The 60 GHz mixer, buffer amplifier, 20 GHz modulator, and PLL were integrated to implement the layout of the 16QAM transmitter, and the performance was verified by full simulation. The conversion gain of all 16QAM transmitters was designed to be less than 2.2dB in the entire 60GHz frequency band, and 3-dB BW was found to be 56 ~ 68GHz.
In this study, we implemented a 60 GHz phased array and a 16QAM transmitter with flat gain across the entire frequency band for wireless communication applications using 60 GHz 4-channel bonding. Also, in order to reduce the multi-path problem, the phased array uses a beam-tapering technique using non-uniform amplitude.
본 연구는 60 GHz 전대역 무선 통신을 위한 four-element beam-tapering phased array transmitter 와 60 GHz 상향 변환 혼합기에 대한 내용이다. 18Gbps 까지의 전송속도를 필요로 하는 무압축 영상데이터 전송과 같은 Application 을 위해서, 60GHz 주파수 밴드 4 개 채널을 묶어 한번에 많은 데이터를 보내도록 한다. 4-channel bonding과 16QAM 변조방식을 통해 최대 18Gbps의 전송속도를 갖는 16QAM 송신기와 전송거리 3m 확보를 위한 1 $\times$ 4 위상 배열기를 설계하기로 한다. 이렇게 4-channel bonding기법을 사용할 경우, Gain Flatness, multi-path problem, 그리고 squint effect 같은 문제점들이 있다. 본 연구에서의 위상배열기는 wideband 특성을 가져야 하고, 또한 multi-path 문제를 해결하기 위해 Side-Lobe Level 을 -20dB 까지 줄이고자 한다. 이것을 달성하기 위해 각 Element 의 Gain 을 non-uniform 하게 할당하였고, 그 비는 1/3:1:1:1/3 으로 정하였다(dB Scale 로 5dB). EVM 계산을 통해 Squint 에 따른 신호 손실은 1x4 위상배열기에서 0.5dB 이하로 확인되었고, RMS Gain 과 Phase 에러의 목표치를 0.5dB 미만, $9^\circ$미만으로 설정하였다. 이러한 에러를 달성하기 위해 VGA 에서 최소한의 에러를 추가하도록 설계하였다. 제안된 VGA 는 위상변이기의 Gain 에러를 보상하면서 Beam-tapering 을 위한 추가적인 5dB Gain Control 이 필요하였고, 이를 위해 각 Stage 에서 위상 보상을 하도록 고안되었다. 또한 제안된 VGA 는 DS 방법을 통한 Linearity 향상에도 도움이 되도록 설계되었다. 이러한 VGA을 집적하여 만든 위상배열기는 상용 65nm CMOS 공정을 이용해 제작되었고, 칩크기가 1.82mm $\times$ 1.58mm 이며, 총 403.2mW 의 전력을 소모한다. RMS Gain 과 Phase 에러는 60GHz 전대역에서 0.53dB 이하, $8.8^\circ$ 이하로 목표치와 부합하는 결과를 얻었다. 1 $\times$ 4 Teflon 안테나와 집적하여 Beam-forming 과 Beam-tapering 방사 패턴을 측정하였다. 위상 변화를 $22.5^\circ$, $45^\circ$, $90^\circ$, 그리고 $135^\circ$ 로 인가했을 때, 방사되는 빔은 주파수에 따라 $6$~$9^\circ$, $16$~$17^\circ$, $22$~$27^\circ$,
그리고 35~$43^\circ$ 로 형성되었다. 주파수 밴드의 양 끝 주파수인 57GHz 와 66GHz 에서 최대 Squint 는 $8^\circ$ 이고, 이때의 Gain 차이는 1dB 미만으로 EVM 계산으로 예측한 값과 부합한다. 중심 주파수인 62GHz 에서 Beam-Tapering 을 측정하였고 위상 변화를 $0^\circ$, $45^\circ$, $90^\circ$ , 그리고 $135^\circ$ 로 인가했을 때, Side-Lobe Level 은 2.2~5.2dB 향상되었다. 이는 Array Factor 로 계산한 8.7dB 와 차이가 나는 값으로, 그 원인은 Packaging 과정에서 bond-wire, 배열 안테나에서 feeding line 들의 Gain 과 Phase mismatch 에 따른 것으로 확인되었다.
60GHz 16QAM heterodyne 송신기를 구성하는 상향 변환 혼합기와 버퍼증폭기를 설계하였다. 20GHz 주파수를 중심으로 9GHz 의 넓은 대역폭을 갖는 IF 신호를 60GHz 의 RF 신호로 변환하는데 있어, 얼마나 Flat 한 Gain 을 갖을 수 있는가가 가장 중요한 설계 방향이 되겠다. 또한 넓은 주파수에서 Flat 하게 형성되기 때문에, Gain 이 작은 값을 갖게 되는데, 이로 인해서 비교적 높은 Linearity 를 갖는 혼합기를 설계해야 한다. 이러한 성능들을 위해, 본 연구에서는 기본적인
Double-balanced Gilbert-cell Mixer 에서 Gm stage 를 없애고, 출력에 Transformer 로 매칭하는 구조를 채택하게 되었다. 이는 Switching Stage 의 Source 쪽으로 IF 신호를 인가함으로서 매우 넓은 주파수 대역에서 입력 매칭이 되도록 함과 동시에, Voltage headroom 확보로 인한 Linearity 향상을 이끌어 낼 수 있는 구조이기 때문이다. 제작된 혼합기의 Gain Flatness는 57~66GHz 주파수 대역에서 $\pm0.6dB$ 이하로 측정되었고, OP1dB 는 -1.7dBm 이하로 측정되었다. 60GHz 버퍼증폭기는 2-stage CS 구조를 이용하였고, 넓은 주파수 특성을 위하여 첫번째 단은 57GHz 에서, 두번째 단은 66GHz 에서 매칭되도록하였다. 두번째 단은 Load-Pull 시뮬레이션을 통한 Power Matching 으로 최대 8dBm 의 신호 파워가 전달되도록 하였다. 이 버퍼증폭기의 Gain Flatness 는 57~66GHz 에서 0.3dB 이하로 측정되었다.
앞서 설계한 60GHz 혼합기와 버퍼증폭기, 그리고 20GHz 변조기와 PLL 을 집적하여, 전체적은 16QAM 송신기의 Layout 을 구현하였고, 전체 시뮬레이션으로 성능을 검증하였다. 전체 16QAM 송신기의 Conversion Gain 은 전체 60GHz 주파수 대역에서, 2.2dB 이하의 차이가 나도록 설계하였고, 3-dB BW 는 56~68GHz 로 확인되었다. 본 연구에서는 60GHz 4-channel bonding 을 이용한 무선 통신 application 을 위해, 전체 주파수 대역에서 Flat 한 Gain 특성을 갖는 60GHz 위상 배열기와 16QAM 송신기를 구현하였다. 또한, 위상 배열기에서는 multi-path 문제를 줄이기 위해 Non-uniform amplitude 을 이용한 beam-tapering 기법을 적용하였다.
