The need for various millimeter-wave (mm-wave) frequency band systems, including mm-wave 5G, the Internet-of-things (IoT), automotive radar, and imaging, has accelerated the research of mm-wave transceivers. A phased array system, which uses multiple antenna and multi-channel RF front-end chip, has been used to overcome high path loss of mm-wave frequency bands. Therefore, a multi-channel RF beamforming front-end chip has become an essential component in mm-wave communication and radar applications.
In this dissertation, millimeter-wave beamforming front-end ICs for 5G NR FR2 bands are presented. To implement the simple and high-performance beamforming front-end unit-channel IC, gain control function distribution and embedded switch concepts are proposed. Gain control function is added to the power amplifier, low noise amplifier, and Tx/Rx phase shifters instead of using the variable gain amplifier or attenuators. Transmit/receive switches are embedded into the PA, LNA, and phase shifters' matching networks to reduce the overall size and insertion losses. With unit-channel IC, we further integrated the 4-channel beamforming front-end IC with differential power divider and additional gain amplifier chain for driving high power to the power divider's input. By adopting the differential structure to the lumped-element based power divider, we can achieve a low-loss compact four-way power divider with the robust operation for the ground parasitic inductances. Then, we implement the 64-channel beamforming module using 16 four-channel beamforming front-end ICs. This module operates with the 100-m over-the-air (OTA) measurement with 64-QAM 5G NR signal and achieves high EIRP (Effective Isotropically Radiated Power) with beam-steering. Besides, to cover the wide frequency spectrum of 5G NR FR2 (24-30 GHz and 37-43.5 GHz), a multi-band four-way differential power divider and multi-band low noise amplifier are proposed. Using the switched coupled inductor and switched capacitor, frequency reconfigurable multi-band operation is achieved.
밀리미터파 주파수 대역을 이용하는 5세대 이동통신, 사물 인터넷, 차량용 레이더, 그리고 이미징 기술 등의 시스템의 수요가 커짐에 따라, 밀리미터파 송수신기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 다중 안테나와 다중 채널 RF 전치단 칩을 사용하여 높은 안테나 이득을 얻도록 하는 위상 배열 시스템은 밀리미터파 주파수 대역의 아주 큰 경로 손실을 극복하기 위한 필수적인 기술로 현재 활발히 그 연구가 진행중에 있는 상황이다. 따라서, 이러한 연구적 흐름으로 인해 다중 채널 빔포밍 전치단 칩은 아주 그 중요성이 날로 커지고 있다.
본 논문에서는 밀리미터파 대역 5세대 이동통신을 위한 RF 전치단 회로에 대한 연구를 다룰 예정이다. 간단하면서도 고성능의 빔포밍 전치단 단일 채널 회로를 구현하기 위해, 이득 조절 기능을 분산 집적하고 스위치를 기존 회로에 집적한 개념이 제안되었다. 이득 조절 기능은 전력 증폭기, 저잡음 증폭기, 그리고 송신 및 수신 위상 변위기에 집적되어 구현하여 가변 이득 증폭기나 감쇠기 등의 추가적인 회로 없이 구현하여 구조적 간략화와 더불어 칩 크기와 전력 소모를 줄일 수 있었다. 또한, 송수신 스위칭을 위한 스위치는 PA와 LNA의 매칭단, 송신 및 수신 위산 변위기의 매칭단에 각각 집적하여 구현함으로써 추가적인 면적 소모 없이 작은 삽입 손실로 집적하였다. 구현된 단일 채널 회로는 차동 전력 분배기, 구동 증폭기 회로와 함께 4채널 칩으로 집적하였다. 이 과정에서 제안된 위상 변화를 보상하는 가변 이득 저잡음 증폭기와 매칭단에 집적된 스위치 구조, 그리고 집중 소자 기반의 차동 전력 분배기에 대한 회로 구조 및 측정 검증에 대해 소개하였다. 더 나아가, 완성된 4채널 칩 16개를 사용하여 64채널 위상 배열 송수신기 모듈이 연구소와 중소기업과의 협업을 통해 개발이 완료되었으며, 100 m 거리에서 64QAM 5G 신호 측정 및 EIRP 측정까지 완료하였다. 추가적으로, 서로 멀리 떨어져 있는 밀리미터파 5G 주파수 대역(24 ~ 30 GHz 및 37 ~ 43.5 GHz)을 모두 지원할 수 있도록 하는 다중대역 전력 분배기와 저잡음 증폭기가 제안되었다. 캐패시터와 인덕터를 스위칭하는 회로 구조를 활용하여, 다중 대역 동작을 구현하였다.
