W-대역 소형 펄스 도플러 레이다용 1 W급 SSPA 개발

서미희(Mihui Seo),김현주(Hyun-ju Kim),김소수(Sosu Kim) 한국전자파학회 2023 한국전자파학회논문지 Vol.34 No.5

본 논문에서는 W-대역 소형 펄스 도플러 레이다에 적용을 위해 1 W급의 W-대역 반도체 기반 SSPA(solid state power amplifier)를 개발하였다. 개발된 SSPA는 8체배기를 통해 X대역 신호를 W-대역 신호로 상향변환한 후, 1 W급 GaN MMIC를 결합한 증폭기로 고출력 증폭시킨다. 하나의 안테나를 이용하여 송수신하는 레이다에 적용을 위해 수신 구간에 GaN MMIC의 드레인 전원을 제어하여 SSPA 잡음이 수신기에 미치는 영향을 최소화하였다. 개발된 SSPA는 CW조건에서 31.70 ㏈m∼31.81 ㏈m의 평균전력을 출력하였으며, 50초 이상 운용에도 출력전력이 유지되었다. In this study, a 1 W W-band solid-state power amplifier (SSPA) was developed for application in a W-band compact pulse Doppler radar. The SSPA up-converted the X-band signal to a W-band signal with a multiplier (×8) and then amplified the high output using an amplifier. To apply the W-band compact radar, which transmits and receives signals using a single antenna, the SSPA noise was reduced by controlling the drain voltage of the SSPA according to the pulse repetition frequencies. The average power obtained was in the range of 31.7∼31.8 ㏈m, and stable operation was possible for more than 50 s.

W-대역 전력증폭 및 저잡음증폭 MMIC의 국내개발 및 모듈 제작 결과

김완식,이주영,김영곤,유경덕,김종필,서미희,김소수,Kim, Wansik,Lee, Juyoung,Kim, Younggon,Yu, Kyungdeok,Kim, Jongpil,Seo, Mihui,Kim, Sosu 한국인터넷방송통신학회 2021 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.21 No.3

소형 레이더 센서에 적용할 목적으로 W-대역의 핵심부품인 전력증폭 MMIC 칩 및 스위치 및 저잡음 증폭 MMIC 통합 칩을 국내설계하고 각각 OMMIC사의 60nm GaN 공정과 Winsemi.사의 0.1㎛ GaAs pHEMT 공정으로 제작하고 이를 모듈화하였다. 국내개발 MMIC 중에서 W-대역 전력증폭 MMIC는 송신모듈로 제작후 출력 값 27.7 dBm로 측정되었고, 스위치와 저잡음증폭 통합 MMIC는 수신모듈로 제작후 잡음지수는 9.17 dB로 분석 결과와 근사한 측정 결과를 보였다. 또한 온도 시험을 통해서 그 결과를 분석하였는데 송신모듈은 고온에서 상온과 출력에서 1.6 dB 편차를 보였고 수신모듈은 고온과 저온 모두 포함하여 2.7 dB의 편차를 보였으나 상온과 비교하여서는 1.4 dB 상승하였다. 온도시험까지를 포함하는 결과를 확인한 바와 같이 소형 레이더 센서의 송수신기에 W-대역 국내 개발 MMIC 칩을 적용 가능할 것으로 판단된다. For the purpose of Application to the small radar sensor, the MMIC Chips, which are the core component of the W-band, was designed in Korea according to the characteristics of the transceiver and manufactured by 60nm GaN and 0.1㎛ GaAs pHEMT process. The output power of PA is 28 dBm at center frequency of W-band and Noise figure is 6.7 dB of switch and LNA MMIC. Output power and Noise figure of MMIC chips developed in domestic was applied to the transmitter and receiver module through W-band waveguide low loss transition structure design and impedance matching to verify the performance after the fabrication are 26.1~27.7 dBm and 7.85~10.57 dB including thermal testing, and which are close to the analysis result. As a result, these are judged that the PA and Switch and LNA MMICs can be applied to the small radar sensor.

W-Band MMIC를 위한 T-형태 게이트 구조를 갖는 MHMET 소자 특성

이종민,민병규,장성재,장우진,윤형섭,정현욱,김성일,강동민,김완식,정주용,김종필,서미희,김소수 한국전기전자재료학회 2020 전기전자재료학회논문지 Vol.33 No.2

In this study, we fabricated a metamorphic high-electron-mobility transistor (mHEMT) device with a T-type gatestructure for the implementation of W-band monolithic microwave integrated circuits (MMICs) and investigated its characteristics. To fabricate the mHEMT device, a recess process for etching of its Schottky layer was applied before gate metal deposition, and an e-beam lithography using a triple photoresist film for the T-gate structure was employed. We measured DC and RF characteristics of the fabricated device to verify the characteristics that can be used in W-band MMIC design. The mHEMTdevice exhibited DC characteristics such as a drain current density of 747 mA/mm, maximum transconductance of 1.354 S/mm, and pinch-off voltage of -0.42 V. Concerning the frequency characteristics, the device showed a cutoff frequency of 215 GHz and maximum oscillation frequency of 260 GHz, which provide sufficient performance for W-band MMIC design and fabrication. In addition, active and passive modeling was performed and its accuracy was evaluated by comparing the measured results. The developed mHEMT and device models could be used for the fabrication of W-band MMICs. 본 연구에서 W-밴드 마이크로파 집적 회로 (MMICs) 제작을 위한 T 형 게이트 구조를 가지는 mHEMT 소자를 제작 하고 그 특성을 살펴보았다. MHEMT 디바이스를 제조하기 위해서, 게이트 금속 증착 전에 디바이스의 쇼트키 층을 에칭하는 리세스 프로세스를 적용하였으며, T-게이트 구조 형성을 위해서 3 중 포토 레지스트 필름을 사용하는 이빔 리소그래피가 사용되었다. W- 밴드 MMIC 설계에 사용할 수있는 특성을 확인하기 위해 제조 된 소자의 DC 및 RF 특성을 측정하였다. MHEMT 소자는 드레인 전류 밀도 747 mA/mm, 최대 트랜스 컨덕턴스 1.354 S/mm, 핀치 오프 전압 -0.42 V와 같은 DC 특성을 나타 내었다. 주파수 특성은 215 GHz의 차단 주파수와 260 GHz의 최대 발진 주파수 특성을 보였으며, W-대역 MMIC 설계 및 제작에 충분한 성능을 보였다. 또한 능동 및 수동 모델링을 수행하고 측정 결과와 비교하여 모델의 정확도를 평가하였다. 개발 된 mHEMT 및 모델은 W-밴드 MMIC 제작에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

랜덤 포레스트를 이용한 W-대역의 경로손실 분석

조연기,김기철,박주만,최증원,조한신 한국전기전자학회 2022 전기전자학회논문지 Vol.26 No.1

The W-band (75-110GHz) is a band that can utilize at least 10 times more bandwidth than the existing 5G band. Therefore, it is one of the bands suitable for future mobile communication that requires high speed and low latency,such as virtual and augmented reality. However, since the wavelength is short, it has a high path loss and is verysensitive to the atmospheric environment. Therefore, in order to develop a W-band communication system in thefuture, it is necessary to analyze the characteristics of path loss according to the channel environment. In this paper,to analyze the characteristics of the W-band path loss, the random forest technique was used, and the influence ofthe channel parameters according to the distance section was analyzed through the path loss data according tovarious channel environment parameters. As a result of the simulation, the distance has the highest influence on thepath loss in the short distance, and the other channel environment factor is almost ignored. However, as the distancesection became longer, the influence of distance decreased while the impact of clutter and rainfall increased. W-대역(75-110GHz)은 기존 5G 대역에 비해 최소 10배 이상의 대역폭 활용이 가능한 대역이다. 따라서 가상 및 증강 현실과같이 빠른 속도와 저지연이 요구되는 미래 이동통신에 적합한 대역 중 하나이다. 그러나 파장이 짧아 높은 경로손실을 가지며, 대기환경에도 매우 민감한 특성을 가진다. 따라서 향후 W-대역 통신 시스템 개발을 위해서는, 채널 환경에 따른 경로손실의 특성을 분석할 필요가 있다. 본 논문에서는 W-대역 경로손실의 특성을 분석하기 위해 랜덤 포레스트 기법을 이용, 다양한 채널 환경 파라미터에 따른 경로손실 데이터를 통해 거리 구간에 따른 채널 파라미터의 영향성을 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 근거리에서의 경로손실은 거리가 가장 높은 영향성을 가지며, 채널 환경 요소는 거의 무시된다. 그러나 거리 구간이 길어질수록 거리의 영향성이 감소하는 동시에 클러터와 강우량의 영향성이 증가하였다.

0.1-μm GaAs pHEMT 공정을 이용한 높은 변환이득을 가지는 W-대역 캐스코드 혼합기 설계

최원석,김형진,김완식,김종필,정진호,Choe, Wonseok,Kim, HyeongJin,Kim, Wansik,Kim, Jongpil,Jeong, Jinho 한국인터넷방송통신학회 2018 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.18 No.6

본 논문에서는 W-대역에서 동작하는 고이득 캐스코드 혼합기를 설계 및 제작하였다. W-대역과 같이 높은 주파수 대역에서는 소자의 성능저하로 인해 혼합기의 변환손실이 커지게 된다. 이는 송수신단 구성 시 RF 버퍼 증폭기와 같은 추가적인 이득을 줄 수 있는 회로의 추가로 이어지고 이는 시스템 전체의 선형성 및 안정성에 영향을 미친다. 따라서 혼합기 설계 시 변환이득을 최대화하는 설계가 필요하다. 본 논문에서는 혼합기의 변환이득을 최대화하는 것에 초점을 두고 높은 변환이득을 얻기 위해 혼합기의 바이어스를 최적화하였고, 로드-풀 시뮬레이션을 이용하여 출력 정합회로를 최적화하였다. 설계된 회로는 $0.1-{\mu}m$ GaAs pHEMT 공정을 이용하여 제작하였고, 측정을 통해 성능을 검증하였다. 제작된 회로는 W-대역에서 -4.7 dB의 최대 변환이득과 2.5 dBm의 입력 1-dB 감쇄 전력이 측정되었다. In this paper, a high conversion gain cascode mixer was designed in W-band and verified by the fabrication and measurements. In the high frequency band such as a W-band, the conversion loss of a mixer is increased because of the poor performance of transistors. This high conversion loss of the mixer requires additional circuits which can give an extra gain such as an RF buffer amplifier, and this can affects the linearity and stability of the overall systems. Therefore, it is necessary to maximize the conversion gain of the mixer. To maximize the conversion gain of the mixer, biases of the transistor were optimized, and output load impedance was optimized by the load-pull simulations. The designed mixer was fabricated in $0.1-{\mu}m$ GaAs pHEMT technology and verified by the measurements. The measurement results shows a maximum conversion gain of -4.7 dB at W-band and an input 1-dB compression point of 2.5 dBm.

소스 피드백을 이용한 고이득 W-band MMIC 증폭기 설계

박상민(Sangmin Park),김영민(Youngmin Kim),고유민(Yumin Koh),서광석(Kwang-Seok Seo),권영우(Youngwoo Kwon),정진호(Jinho Jeong) 大韓電子工學會 2010 電子工學會論文誌-TC (Telecommunications) Vol.47 No.10

본 논문에서는 70 ㎚ mHEMT MMIC 기술을 이용한 고이득 W-band 증폭기를 제시한다. W-band에서 고이득 특성을 얻기 위하여 공통 소스 FET의 소스 피드백 라인의 길이를 조절하면 설계 주파수에서 이득이 최대가 되도록 하였다. 이 라인의 길이를 조절하여 94 ㎓에서 MAG를 0.8 ㏈ 향상 시킬 수 있음을 시뮬레이션에서 확인하였다. 뿐만 아니라, 이 소스 피드백 라인은 FET의 입력 임피던스도 변화시켜 입력 정합을 용이하게 한다. 이 현상을 이용하여 공통 소스 FET 4단으로 이루어진 W-band 증폭기를 CPW로 설계하였다. 제작된 W-band 증폭기는 측정 결과 70∼103 ㎓에서 22.0 ㏈ 이상의 아주 우수한 이득 특성을 보였다. In this paper, a high gain W-band amplifier is presented using 70 ㎚ mHEMT MMIC technology. The length of source feedback line of common-source FET is carefully determined to maximize the gain at a design frequency. Simulation shows that MAG can be increased by 0.8 ㏈ by optimizing the length of this line. In addition, this feedback line changes the input impedance of the common-source FET in a way that the input match can be made easier. In this work, 4-stage amplifier is designed on CPW using the source feedback. The measurement shows the excellent gain performance higher than 22.0 ㏈ across 70∼103 ㎓.

HPA MMIC to W/G Antenna Transition Loss Analysis and Development Results of W-band Transmitter Module

Wansik Kim,Juyong Jung,Juyoung Lee,Jongpil Kim 국제문화기술진흥원 2019 International Journal of Advanced Culture Technolo Vol.7 No.4

This paper will read about a multichannel frequency-modulated continuous wave (FMCW) radar sensor with switching transmit (TX) antennas is developed at W-band. To achieve a high angular resolution, a uniform linear array consisting of 5 switching-TX and 12 receive (RX) antennas is employed with the digital beamforming technique. The overall radar front-end module comprises a W-band transceiver and TX/RX antennas. A multichannel transceiver module consists of 5 up-conversion and 12 down-conversion channels, where one of the TX channels is sequentially switched ON. For developing transmitter, we developed an HPA (high power amplified) MMIC chip for W-band radar system and fabricated a transmitter module using this chip. In order to develop the W-band transmitter, we analyzed the important antenna transition structure from HPA MMIC line to W/G (Waveguide)antenna via M/S(microstrip) and fabricated it with 5 transmission channels. As a result, the output power of the transmitter was within 1 dB of the error range after analysis and measurement under normal temperature and environmental conditions.

W-대역 라디오미터를 위한 Direct Detection 수신기

문남원(Nam Won Moon),이명환(Myung-Whan Lee),정진미(Jin Mi Jung),김용훈(Yong Hoon Kim) 한국전자파학회 2017 한국전자파학회논문지 Vol.28 No.5

W-대역 원격탐사용 라디오미터 구현을 위하여 direct detection 방식의 구조를 가지는 수신기를 설계하였으며, 통신 또는 레이다 수신기 구조와 다르게 저 잡음이면서 60 dB 이상의 고이득을 가지도록 제작하였다. 라디오미터 수신기는 W-대역에서 동작하는 4단의 고이득 저잡음 증폭기와 대역폭 필터, square law detector로 구성되었으며, 제작된 연구 결과를 제시하였다. 개발된 direct detection 수신기는 94 GHz의 입력 주파수와 약 4 GHz의 대역폭, 그리고 56 dB 이득과 입력신호가 -20 dBm 경우 적분기 출력단에서 4,500 mV/mW의 감도를 보여주고 있다. For the W-band remote sensing radiometer, direct detection type radiometer receiver is designed. The receiver should be low noise and high gain of 60 dB unlike communication and radar receiver. The W-band radiometer consist of 4-stage low noise, high gain amplifier, band pass filter and square law detector. The developed direct detection receiver show 4 GHz bandwidth, 56 dB gain, and 4,500 mV/mW voltage sensitivity at integrator output port for -20 dBm input power at 94 GHz.

국내개발 MMIC칩을 적용한 W-Band 송수신모듈의 분석 및 제작 결과

김완식,정주용,김종필 한국인터넷방송통신학회 2018 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.18 No.6

국내개발된 수신용 단일 MMIC 칩과 송신용 전력증폭 MMIC 칩을 W-대역 송수신모듈내에 장착하여 개발하였다. W-대역에서 중요한 잡음지수와 출력 전력 값을 계산하기 위하여 안테나 연결로부터 MMIC까지 W-대역의 전이구조 손실을 분석하였고, 수신부 12채널 및 송신부 5채널로 제작후 분석 결과와 측정값을 비교하였다. 결과적으로 송신부의 출력전력 값 은 분석 결과와 상온 및 환경조건에서의 측정 결과 모두 유사한 결과를 얻었다. 수신부의 잡음지수 또한 유사한 결과를 얻었 으나, W-대역의 12채널로 제작되는 다채널인 관계로 일부 채널에서는 제작 오차에 의해서 3 dB 정도의 오차를 보였다. We developed W-band transceiver module using open MMIC chip such as receiver single chip and transmitting power amplifier. In order to calculate the noise figure and output power value, we analyzed the W-band transition loss from the antenna to MMIC connection and constructed the 12 channel receiver and the 5 channel transmitter. And compared with the results of the measurement. As a result, the output power of the transmitter was similar to the analytical results and the measured results at room temperature and environmental conditions. The noise figure of the receiver was also similar, but some channels showed error of about 3 dB due to manufacturing error.

W-대역 영상레이다를 위한 광대역 Chirp 신호 발생장치

이명환(Myung-Whan Lee),정진미(Jin Mi Jung),이준섭(Jun Sub Lee),Ashish Kumar Singh,김용훈(Yong Hoon Kim) 한국전자파학회 2018 한국전자파학회논문지 Vol.29 No.2

본 논문에서는 FPGA를 이용하여 디지틀 방식으로 영상 레이다에 사용하는 주파수 변조된 첩(Chirp) 신호를 생성하고, 이 신호를 I-Q 변조하여 RF 신호로 변환 한 후 24 주파수 체배기로 체배하여 94 ㎓ W-대역에서 광대역 첩 신호발생 장치의 설계, 제작한 연구 결과를 제시한다. 개발된 첩 발생기는 94 ㎓의 캐리어 주파수와 960 ㎒의 대역폭을 가지는 주파수 변조된 신호이며, 평탄도는 IF단(3.9 ㎓)에서 1 ㏈ 이내, W-대역에서 2 ㏈ 이내 그리고 3 W의 출력을 보여주고 있다. In this paper, we describe the designed digital waveform of a linear frequency-modulated (FM) chirp signal using field-programmable gate arrays (FPGAs) for image radar, and this signal is modulated with an I-Q modulator, and multiplied by 24 frequency multipliers to obtain a 94-㎓ W-band wideband chirp generator. The developed chirp generator is an FM signal with a 94-㎓ carrier frequency and a 960-㎒ bandwidth, and the flatness is less than 1.0 ㏈ at intermediate frequency (IF) (3.9 ㎓), 2.0 ㏈ in the W-band, and it has a 0.3-W output power in the W-band.