X/Ku 대역 CMOS 65nm 단일 채널 빔포머 송수신기 IC

Transceiver IC for CMOS 65nm 1-channel Beamformer of X/Ku band

Abstract

본 논문에서는 65nm CMOS 기술을 사용하여 구축된 위상 배열 단일 채널 송수신기 빔포머 IC를 기술하였다. 이 IC는 8~16GHz 주파수를 출력하며 레이더 및 위성 통신을 위한 X/Ku-band 대역을 대상으로 한다. 일반적인 빔포밍 시스템 상에서 IC의 각 신호 경로에는 저잡음 증폭기(LNA), 전력 증폭기(PA), 위상 천이기(PS) 및 가변 이득 증폭기(VGA)가 포함되어 있어 빔 조정 및 테이퍼링 제어에 필수적인 위상 및 이득 조정이 가능하다. 테스트 결과에 따르면 위상 보상 VGA는 0.25dB 간격으로 15dB의 이득 범위와 0.27dB의 RMS 이득 오류를 제공한다. 능동 벡터 변조기 위상 천이기는 2.8125° 간격으로 360° 위상 범위와 3.5°의 RMS 위상 오류를 제공한다.

This paper introduces a phased-array single-channel transceiver beamformer IC built using 65nm CMOS technology, covering the 8-16 GHz range and targeting the X and Ku bands for radar and satellite communications. Each signal path in the IC features a low noise amplifier (LNA), power amplifier (PA), phase shifter (PS), and variable gain amplifier (VGA), which allow for phase and gain adjustments essential for beam steering and tapering control in typical beamforming systems. Test results show that the phase-compensated VGA offers a gain range of 15 dB with 0.25 dB increments and an RMS gain error of 0.27 dB. The active vector modulator phase shifter delivers a 360° phase range with 2.8125° steps and an RMS phase error of 3.5°.

Ⅰ. 서론

빔포밍 기술은 과거 안테나 방향을 물리적으로 조정하는 기계적 접근 방식에 비해 신호의 위상을 능동적으로 빔을 조향하는 장점을 이용하여 레이더, 이동통신, 위성통신 등 다양한 응용 분야에서 널리 활용되고 있다. 위성에 탑재되는 빔포밍, 빔 조향 기술은 과거부터 꾸준히 연구되었고^[1], 민간 기업 뿐 아니라 방산기업에서의 빔포머 IC의 필요성이 대두되고 있다^[2][3]. 현재는 X/Ku 밴드 응용 분야의 빔포밍 기술에 대한 많은 연구가 진행 중이다. 예시로 광대역에서는 능동 벡터 변조기 위상 천이기와 전류 조절 위상 보상 VGA를 기반으로 하는 위상 및 이득 제어 기능을 갖춘 X/Ku 대역 4채널 TX/RX 180nm BiCMOS 위상 배열 IC^[4]가 도입되었다. 6비트 감쇠기, 6비트 패시브 스위치 유형 위상 천이기 및 양방향 증폭기를 갖춘 8-12GHz TX/RX 단일 채널 65nm CMOS 빔포머 칩^[5]도 뛰어난 성능을 제공한다.

이 연구에서는 광대역에서 작동하는 고집적 단일 채널 송수신기 65nm CMOS 빔포머 IC를 제시한다. 상세한 측정 결과와 함께 시스템 레벨과 회로 설계를 명시한다.

Ⅱ. 빔포머 IC 설계

1. 시스템 레벨

그림 1은 전체 빔포머 IC에 대한 블록 다이어그램과 세부 시스템 매개변수 계산을 보여준다. 각 송신/수신 경로에는 능동 변조기 위상 천이기와 위상 보상 VGA가 통합되어 있다. 이는 조향 각도와 빔 테이퍼링을 전자적으로 조정하는 위상 및 이득 제어 기능을 제공하여 사이드로브 레벨을 줄인다. LNA와 PA는 각 채널에 통합되어 각각 RX 경로에 대해 높은 이득과 낮은 NF(잡음 지수)를 보장하고 TX 경로에 대해 높은 출력 전력을 보장한다. 각 송수신기 채널에는 전송 모드와 수신 모드를 전환하는 SPDT 스위치가 포함되어 있다. Wilkinson 전력 분배기/결합기는 RF IO 핀에서 빔을 형성하는 데 사용된다. 코어 회로는 공통 모드 잡음에 대한 내성이 강한 차동 신호 접근 방식을 사용하지만, 단일-차동 변환 변압기의 필요성으로 인해 칩 크기가 커지므로 신중한 설계 고려가 필요하다. 위상, 이득, 바이어스 및 TX/RX 스위칭을 포함한 모든 칩 레지스터는 소형 SPI 인터페이스를 통해 관리된다.

그림 1. (a) 빔포머의 시스템 블록 다이어그램, (b) 시스템 레벨 데이터

Fig. 1. The block diagram of beamformer and its detailed system level calculation

그림 1. (b)은 시스템 매개변수 계산을 보여준다. 각 코어 회로의 연구 및 실험 성능을 기반으로 캐스케이드 분석 방정식을 사용하여 칩의 전체 이득, 잡음 지수(NF) 및 3차 인터셉트 포인트(IP3)를 결정한다. 더 낮은 NF를 달성하고 더 높은 출력 전력 요구 사항을 충족하기 위해 고성능 GaAs/GaN LNA 및 PA를 시스템에 통합할 수 있다.

2. LNA와 PA 설계

그림 2와 그림 3은 단일 종단-차동(S2D) LNA와 이에따른 차동-단일 종단(D2S) PA의 회로도이다. LNA의 NF를 낮추고 S₁₁ 매칭을 향상시키기 위해 인덕터 소스 축퇴 기술을 RC 피드백 기술과 함께 사용하여 LNA와 PA 모두 작동 대역폭을 넓힌다. 변압기는 LNA의 입력에 사용되며 PA의 출력은 단일 종단 신호를 차동 신호로 또는 그 반대로 변환하는 데 도움이 되는 동시에 추가된 커패시터를 사용하여 최적의 임피던스를 50Ω으로 전송하는 매칭 네트워크 역할을 한다. 캐스코드 트랜지스터 구조는 특히 고전력 PA에서 이득을 향상시키고 항복 전압을 낮추기 위해 사용된다. 모든 증폭기는 입력 및 출력저항을 사용하여 안정성 분석 시에 전체 주파수 대역에 걸쳐 안정성을 갖도록 설계하였다. 캐스코드 장치의 게이트 터미널에는 이득 감소를 방지하기 위해 게이트에 밀접하게 배치된 대형 바이패스 커패시터가 필수적이다.

그림 2. D2S LNA 회로도

Fig. 2. The schematic of D2S LNA

그림 3. S2D PA 회로도

Fig. 3. The schematic of S2D PA

3. 활성 벡터 변조기 & 위상 천이기 설계

그림 4는 직교 전대역 필터(QAF), 활성 벡터 변조기(AVM) 및 광대역 출력 정합 네트워크(OMN)의 세 가지 주요 부분으로 구성된 위상 천이기의 상세한 회로도를 나타낸다. 차동 신호를 IQ(동상 및 직교) 신호의 직교 성분으로 변환하는 기능을 갖는 QAF는 기존 다상 필터에 비해 IQ 위상 오류가 낮고 IQ 전압 이득이 크며 실수값의 입출력 임피던스 특성을 가진다^[6]. 그런 다음 IQ 신호는 두 개의 Gilbert-VGA를 사용하여 스케일링되고 출력 노드에서 합산되어 VGA의 이득을 변경하여 제어되는 위상 변이를 생성한다.

그림 4. 위상 천이기 회로도

Fig. 4. The schematic of phase shifter

4. 위상 비교 VGA 설계

그림 5는 VGA 코어, 이득 제어 장치, 매칭 네트워크의 세 가지 주요 부분으로 구성된 위상 보상 VGA의 회로도를 보여준다. 대칭형 이득 제어 장치를 사용하면 이득 설정 상태에 걸쳐 출력 임피던스가 일정해진다^[7]. 그러나 고주파에서는 이득 단위 셀이 온-상태와 오프-상태로 전환되거나 C_gd로 인해 위상 변화가 심해지는 경우, 입력 트랜지스터의 기생 커패시터 C_gd가 다른 밀러 효과를 생성한다. 이 효과를 줄이기 위해 VGA 코어에 사용되는 중성화 커패시터 C_C는 위상 보상 VGA의 주요 특성인 위상 변화를 낮게 유지한다.

그림 5. 위상 보상 VGA 회로도

Fig. 5. The schematic of phase-compensated VGA

Ⅲ. 측정 결과

그림 6은 빔포머의 전체 레이아웃과 평가 PCB를 보여준다. 2275x1909μm²의 컴팩트한 크기의 칩을 QFN48-6mm-0.4mm 패키지에 담아 TX 측의 경우 303mW, RX 측의 경우 103mW의 DC 전력 소모 특성을 보인다. 그림 7.(a)는 TX 경로, 그림 7.(b)는 RX 경로의 S 파라미터와 NF를 나타낸다. 최대 이득 및 최소 NF는 TX 경로의 경우, 각각 21.3 dB 및 13.8 dB이고 RX 경로의 경우, 11.4 dB 및 6.3 dB이다.

그림 6. 빔포머 IC 레이아웃

Fig. 6. Layout of the beamformer IC

그림 7. (a) 최대 이득상태, 0° 위상 천이 상태에서의 송신기, (b) 동일 조건의 수신기 빔포머 IC S-파라미터

Fig. 7. (a) S parameters of the TX beamformer IC at the maximum gain state and 0° phase shift state (b) S parameters of the RX beamformer IC at same condition

그림 8은 RX 경로에서 칩의 상대 위상 변이와 정규화된 이득을 보여준다(표시되지 않은 TX 경로도 비슷한 결과를 나타냄). 위상 천이기는 2.8125° 간격으로 360°의 전체 범위를 포괄할 수 있으며 위상 보상 VGA는 일반적으로 8∼16GHz 주파수에 걸쳐 0.25dB 간격에서 15dB 이상의 이득 범위를 제공할 수 있다. 그림 9에 표시된 TX/RX 경로의 RMS 위상 오류와 RMS 이득 오류는 일반적으로 3.5° 및 0.27dB이다.

그림 8. (a) RX 경로에서 8∼16GHz에 대한 상대 위상 편이 대 위상 설정, (b) 정규화된 이득 대 이득 설정

Fig. 8. (a) Relative phase shift versus phase setting, (b) normalized gain versus gain setting over 8-16 GHz in the RX path

그림 9. 8-16GHz 대역에서의 칩의 RMS 이득 오류 및 RMS 위상 오류

Fig. 9. RMS gain error and RMS phase error of the chip over 8-16 GHz

그림 10는 TX 및 RX 경로 모두의 대신호 성능을 보여준다. TX는 9dB의 OP_1dB, 11dBm의 P_SAT, 18dB의 OIP3를 제공할 수 있으며 RX 경로의 IP_1dB는 -7dBm, IIP3은 0.5dBm이다. 이러한 특성의 단일 채널 빔포머 송수신기는 최적화 작업을 거쳐 그림 1과 같은 4-채널 빔포머 송수신기로 양산화 작업을 거칠 예정이다.

그림 10. 칩의 대신호 성능

Fig. 10. Large signal performance of the chip

Ⅳ. 결론

이 논문에서는 65nm CMOS 기술로 제작된 고집적 8∼16GHz 단일 채널 트랜시버 빔포머 코어 칩을 보여준다. 측정 결과에 따르면 전체 주파수 대역에 걸쳐 최소한의 위상 및 이득 오류로 정확한 위상 편이 및 이득 조정이 달성되는 것으로 나타났다. 더 낮은 잡음 지수, 더 높은 이득 및 더 높은 전송 전력을 위해 위상 배열 코어 칩을 외부 GaAs/GaN LNA 및 PA와 쌍을 이룰 수 있다. 이 소형 저전력 빔포머 IC는 레이더 및 위성 어플리케이션에 사용되는 대형 위상 배열 시스템에 적합하다.