This dissertation presents K-band FMCW radar transceiver CMOS ICs. Three improved FMCW radar systems are proposed and implemented using 0.13-$\mu$m CMOS technology. First, to extend the detection range, CMOS front-end ICs with 13.3 dBm output power for a K-band FMCW radar are presented in chapter II. The transmitter consists of a voltage controlled oscillator, divider chain, power amplifier, and additional buffers. The receiver consists of a low-noise amplifier, IQ mixers, an IQ generator, and buffers. The leakage problem can be mitigated by adopting differential topology and ground shielding. As a result, the receiver achieves a conversion gain of 35.7 dB, a P1dB of -31.6 dBm, and a DSB noise figure of 5.5 dB. The transmitter achieves the tuning range of 23.8~24.5 GHz and the phase noise of -104 dBc/Hz @ 1MHz offset. The receiver and transmitter chips consume 121.5 mW and 373.5 mW from a 1.5 V power supply, respectively. Using these two chips, the K-band FMCW radar module is implemented and verified by measuring the distance of an object.
In chapter III, a fully integrated K-band CMOS transceiver IC is presented. This transceiver IC is capable of dual-mode FMCW and UWB radar operation, providing full road coverage. In the transmitter part, the transmit signal can be switched between linearly frequency-modulated signal and time-slotted pulse signal according to the selected mode. In cooperation with control signal generator, the dual-functional block is switched between the pulse former and differential amplifier in UWB and FMCW modes, respectively. In the proposed receiver, not only the gain but also the bandwidth of the overall receiver can be tailored by switching of the center frequencies of stages and without lowering the quality factor of each stage. Therefore, dual-mode radar operation can be achieved in the single-path transceiver. Dual-mode operation was verified by the implementation of a transceiver module with the chip. It showed performance comparable to that of previously reported tranceivers despite the fact that it operates in dual modes.
Chapter IV presents a CMOS transceiver IC for a single-antenna FMCW radar. Since Tx leakage is critical in CMOS technology, a comprehensive leakage cancelling technique is proposed. The suggested tech-nique is able to cancel all the leakages caused by antenna reflection, asymmetry of balanced structure, and lossy substrate without additional power or area. Even-order harmonic leakage from the power amplifier is also reduced by an even harmonic filter, which is implemented simply by removing the real ground at a sym-metrical point. Matching networks are simplified by using a modified coupler structure. A low-noise combining amplifier is used to make the combining circuit compact. As a result, the transceiver achieves output pow-er of -1.6 dBm, phase noise of -105.44 dBc/Hz at 1MHz offset, receiver gain of 15.3 dB, and a noise figure of 11.6 dB. Tx leakages are cancelled to have isolation between Tx and Rx of 47.3 dB. The chip consumes 74.1 mA from a 1.5 V power supply. The chip area including pads is 1.7 mm $\times$ 0.9 mm. Using this chip, a K-band FMCW radar module with a single antenna is implemented and verified.
최근 여러 가지 응용분야를 가지고 마이크로-웨이브와 밀리미터-웨이브의 레이더 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중 많은 분야에서 쉬운 구현과 높은 수신감도를 가지는 FMCW레이다가 사용되고 있다. 본 논문에서는 FMCW 레이더를 CMOS공정을 사용하여 구현하여 가격 경쟁력을 가질 수 있도록 하였고 기존의 문제점들을 개선시켜 좀 더 다양한 분야에 사용될 수 있도록 하였다. 그리고 이를 모두 K-밴드에서 구현하였다.
첫번째로 13.3 dBm의 큰 출력파워를 갖는FMCW 레이더를 구현하였다. 큰 출력파워와 작은 노이즈 피겨는 장거리 탐지를 위해 필요로 하게 된다. 큰 출력파워는 PA을 송신단 칩에 집적시켜 얻을 수 있었고 큰 출력파워의 누설을 막기 위해 그라운드 쉴딩과 디퍼렌셜 구조를 사용하였다. 그리고 송신단과 수신단칩을 분리시켜 노이즈 피겨를 낮게 유지시켰다. 결과적으로 13.3 dBm의 출력파워와 5.5 dB의 노이즈 피겨를 얻을 수 있었다. 그리고 구현된 송신단 칩과 수신단 칩이 포함된 FMCW 송수신 모듈을 구현하여 거리를 측정함으로써 레이더 동작을 검증하였다.
두번째로 UWB레이더 와 FMCW 레이더의 두 가지 모드 동작이 가능한 송수신 단을 단일패쓰로 구현하였다. 이를 이용하면 차량용 레이더를 좀더 싸고 작게 제작할 수 있게 된다. 수신 단은 FMCW 모드에서는 협 대역의 높은 게인을 가지고 UWB 모드에서는 광 대역의 중간 게인을 갖는다. 송신 단에서는 모드에 따라 선형적으로 주파수가 변조된 신호와 짧은 펄스 신호가 생성된다. 이러한 모드변환을 스위치나 저항과 같은 손실이 큰 소자사용 없이 구현이 되었기 때문에 큰 효율을 갖게 되고 결과적으로 듀얼 모드임에도 불구하고 기존에 단일 모드로 동작하는 레이더와 비슷한 성능을 얻어냈다. 구현된 칩을 이용하여 모듈을 제작하여 레이더 동작을 확인하였다.
마지막으로 단일 안테나 FMCW 레이더 송 수신단을 제안하고 구현하였다. 안테나 포트에서 반사, 회로의 비대칭, lossy한 substrate등으로 인한 누설신호를 종합적으로 제거하는 방법을 제안하여 구현하였고 이븐 하모닉 필터를 이용하여 PA의 이븐 하모닉을 제거해 선형성을 개선시켜주었다. 그리고 커플러 구조에 변화를 주어 매칭 회로를 좀더 컴팩트하게 구현하였고 새로운 누설신호 컴바이너를 제안하여 회로의 집적도를 높일 수 있었다. 결과적으로 47.3 dB을 높은 아이솔레이션 특성을 얻어내었으며 높은 집적도 임에도 작은 면적 안에 저전력으로 구현이 되었다. 그리고 구현된 칩을 이용하여 모듈을 제작하여 레이더 동작을 검증하였다.
