MMIC’s for mm-wave Application

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1 MMIC’s for mm-wave Application
Digital LG 이동통신 MMIC 및 모듈 WORKSHOP MMIC’s for mm-wave Application LG 정밀 ㈜ 연구소 김 정 필 LG정밀

2 차 례 1. 무선통신 사업의 발전 방향 2. mm-wave 대역에서의 MMIC의 필요성
Digital LG 차 례 1. 무선통신 사업의 발전 방향 2. mm-wave 대역에서의 MMIC의 필요성 3. mm-wave 대역에서의 시스템 응용 분야 - 차량 충돌 방지 레이다 - B-WLL (LMDS) 4. 결론 LG정밀

3 주파수에 따른 무선통신 사업의 발전 방향 Digital LG Imaging Sys. 90 GHz FSS 29 GHz
Car Radar 94 GHz BWLL 66 GHz CATV 28 GHz WLL 2.4 GHz Car Radar 77 GHz BWLL 24GHz IMT2000 2.3 GHz 차량간 통신 60GHz PCS 2.0 GHz Car Radar 24 GHz Car Radar 60 GHz CT-2 800 MHz 1 GHz 2 GHz 20 GHz 60 GHz 70 GHz 90 GHz LG정밀

4 MMIC의 필요성 통신기기의 소형 · 경향화 , 고주파화, 고속 데이터 전송에 따라 Microwave 및
Digital LG MMIC의 필요성 통신기기의 소형 · 경향화 , 고주파화, 고속 데이터 전송에 따라 Microwave 및 Millimeter Wave 부품은 Discrete 나 HIC에서 MMIC 부품으로 대치되고 있음 통신기기 소형 · 경량과 추이 기술 추이 200g - Low cost - Mass Product - 고주파화 (M/W ▶ MMW) - 고속 데이터 전송 (kbps ▶ Mbps) - 소형, 경량화 MMW MMIC 120g 80g 50g ‘96 ‘98 ‘00 ‘02 LG정밀

5 차량용 Application 통신 시스템의 Application mm-wave 대역 시스템 응용 분야 충돌방지 레이다 시스템
Digital LG mm-wave 대역 시스템 응용 분야 차량용 Application 충돌방지 레이다 시스템 차량간 통신 시스템 차량둘레 감지 레이다 통신 시스템의 Application B-WLL (LMDS) 위성 통신 ID 센서 시스템 이동체 위치 측정 시스템 LG정밀

6 차량의 안전도 향상 미래 교통 시스템과 연계 차량 충돌 방지 레이다 (개발의 필요성)
Digital LG 차량 충돌 방지 레이다 (개발의 필요성) 차량의 안전도 향상 - 주행 시 전방 도로 상황에 대한 정보 제공 - 야간 운전 시 장애물 유무를 운전자에게 제공 - 주행 및 차선 변경 시 추돌 위험은 측/후방 감시 레이다로 회피 가능 미래 교통 시스템과 연계 - 미래 교통 시스템인 ITS에 정보를 제공하는 기본 센서이며 핵심 기술 LG정밀

7 Why mm-wave ? 주파수 선택 추세 차량 충돌 방지 레이다 (주파수 선택) - 높은 도플러 주파수 정밀도
Digital LG 차량 충돌 방지 레이다 (주파수 선택) Why mm-wave ? - 높은 도플러 주파수 정밀도 - 회로와 안테나가 소형화에 따른 탑재의 용이성과 경제성 - 공기에 의한 감쇠가 크므로 frequency reuse가 가능 주파수 선택 추세 구 분 47 GHz 60 GHz 76 GHz 94 GHz 139 GHz 미국 유럽 일본 LG정밀

8 차량 충돌 방지 레이다 (방식 비교) 방 식 장 점 단 점 100% Duty Cycle Bandwidth 구현이 용이
Digital LG 차량 충돌 방지 레이다 (방식 비교) 방 식 장 점 단 점 100% Duty Cycle Bandwidth 구현이 용이 높은 Noise Figure 문제 송수신 Isolation 문제 FMCW 근거리 Blind Range 문제 좁은 펄스 폭 구현 문제 낮은 Duty Cycle 문제 PULSE Processing이 간단 FSK 거리/속도 정보 직접 산출 가능 높은 S/N비 요구 정지 물체 탐지가 곤란 동일 속도 물체 구분 문제 LG정밀

9 차량 충돌 방지 레이다 (FMCW 레이다 원리)
Digital LG 차량 충돌 방지 레이다 (FMCW 레이다 원리) 이동하는 물체의 경우 도플러 주파수가 발생하고 이에 따른 Beat 주파수로 부터 거리 / 속도 정보 추출 주파수 fb2 송신파 수신파 fb1 fd 시간 상승 주기 하강 주기 일정 주기 fb1 fb2 fd S 거리 속도 LG정밀

10 차량 충돌 방지 레이다 (개발 목표 사양 및 시스템 설계 사양)
Digital LG 차량 충돌 방지 레이다 (개발 목표 사양 및 시스템 설계 사양) 개발 목표 사양 시스템 설계 사양 동작주파수 (GHz) 송신 출력 (dBm) 76.5 ± 0.150 16 탐지거리 (m) 대역폭 (MHz) 1 ∼ 150 300 거리분해능 (m) 1 NF (dB) 12 탐지속도 (km/h) -80 ∼ 250 안테나 이득 (dB) 송신 24, 수신 33 속도분해능 (km/h) 2.5 ∼ 5 안테나 빔폭 (deg) 송신 10.5, 수신 3.5 LG정밀

11 송수신부 신호 처리부 차량 충돌 방지 레이다 (시스템 블럭도) Digital LG FPGA DSP LG정밀 Rx Ant.
Ant. Driver LNA Mixer LPF A/D Switch FPGA DSP LPF D/A Tx Ant. Directional Coupler VCO LG정밀

12 차량 충돌 방지 레이다 (개발 시스템) 송수신부 : 297 × 173 × 181 [mm] 신호처리부는 차량 내부에 장착
Digital LG 차량 충돌 방지 레이다 (개발 시스템) 송수신부 : 297 × 173 × 181 [mm] 신호처리부는 차량 내부에 장착 송신안테나 송수신부 신호처리부 수신안테나 LG정밀

13 MMIC 추진 부품 개발 협력 업체 부품 MMIC 개발 추진 ▶ Directional Coupler
Digital LG 부품 MMIC 개발 추진 MMIC 추진 부품 ▶ Directional Coupler ▶ Mixer (GaAs pHEMT Single Ended Mixer) ▶ Switch (Single Pole Triple Throw) 개발 협력 업체 ▶ 서울대 : Switch 설계, LG 종기원 제작 ▶ LG 종기원 : Coupler, Mixer 설계 및 제작 LG정밀

14 MMIC 특성 측정 결과 (Switch) SP3T Switch OUT 1 IN OUT 2 OUT 3 Digital LG
Transistor : 2 um × 40 um GaAs pHEMT Size : 1.8 mm × 1.8 mm OUT 1 IN OUT 2 OUT 3 LG정밀

15 MMIC 특성 측정 결과 (Switch) Digital LG Insertion Loss : 약 10 dB
Isolation : 약 20 dB LG정밀

16 MMIC 특성 측정 결과 (Directional Coupler)
Digital LG MMIC 특성 측정 결과 (Directional Coupler) Back Metal P1 (FROM VCO) P2 (TO TX Ant) P3 (TO RX LO) Front Metal LG정밀

17 WATM (MBS) IMT-2000 Cellular PCS B-WLL Cordless Radio LAN
Digital LG 무선통신 시스템 개요 2nd/2.5th Gen. 3rd Gen. 4th Gen. High Speed WATM (MBS) IMT-2000 Cellular PCS Walking Speed Outdoor B-WLL Still Cordless Still Radio LAN Indoor Fixed Fixed Terminal Cable Data rate (Mbps) 0.01 0.1 1 10 100 LG정밀

18 통신 서비스 분류 사용주파수대역에 의한 분류 MMDS 접속방식에 의한 분류 (WLL) 무선가입자망 (WLL) LMDS
Digital LG 통신 서비스 분류 사용주파수대역에 의한 분류 MMDS (WLL) 접속방식에 의한 분류 무선가입자망 (WLL) LMDS (B-WLL) 가입자망 서비스 (Local Loop) 선로의 종류에 의한 분류 CATV 거리/전송률에 의한 분류 유선가입자망 (Local Loop) xDSL ADSL HDSL VDSL FTTH FTTC LG정밀

19 LMDS (서비스 개념도) L(Local) : LOS(Line Of Sight)로 서비스의 반경이 정해짐
Digital LG LMDS (서비스 개념도) L(Local) : LOS(Line Of Sight)로 서비스의 반경이 정해짐 LMDS는 반경 약 4∼5km내 가입자에게 서비스를 제공 M(Multipoint) : 서비스가 Point to multipoint 방식으로 제공 단, upstream은 point-to-point 방식 D(Distribution) : 여러 가입자들에게 분배방식으로 서비스가 제공 S(Service) : 음성, 데이터, 영상 등 다양한 종류의 서비스가 제공 LG정밀

20 LMDS (통신 방식 특징 및 서비스 내용) 1. 통신 방식 특징 2. 서비스 내용 3. 국내 LMDS 사업 흐름
Digital LG LMDS (통신 방식 특징 및 서비스 내용) 1. 통신 방식 특징 디지털 변조 : QPSK, 16 QAM, DQPSK 작은 셀 구조 : 반경 4∼5 km이내의 가입자 (LOS 환경) 넓은 주파수 대역 : 1 GHz 높은 데이터 전송율 2. 서비스 내용 MPEG-II 기술 등을 적극적으로 활용 현행 TV의 화질은 3∼9 Mbps / HDTV 화질은 17 ∼ 30 Mbps를 요구 PCS, 초고속정보통신망 및 디지털 위성 통신망과의 연계서비스 양방향 Interactive 서비스를 경제적으로 제공 : VOD, WLL(Wireless Local Loop), 고속 인터넷 접속 Data / FAX 고속전송 3. 국내 LMDS 사업 흐름 상향 : ∼ GHz, 하향 : 25.5 ∼ 27.5 GHz 하향 대역중 ∼26.7 GHz 대역 : 초고속 무선 인터넷 사업 대역으로 지정 26.7∼27.5 GHz 대역 : 케이블 TV 전송용으로 할당 한국통신, 하나로통신, 데이콤이 사업권 획득 LG정밀

21 LMDS (국내 기술 장비 개발 동향) 내 용 연 도 기 관
Digital LG LMDS (국내 기술 장비 개발 동향) 내 용 연 도 기 관 미국 Millitech (무선 접속 분야), Stanford Telecom (교환기 분야) 와 공동 개발 중인 Digital LMDS 시스템 시연회 성공 1997 해태 텔레콤 26 GHz Transmitter, Up/Down converter 개발 1997 기륭 전자 LMDS 용 핵심 부품을 Hybrid MIC 형태로 개발 (고출력 증폭기, 저잡음 증폭기, 위상 변위기 등) 1998 현대 전자 LMDS 중계기 용 전력 증폭기 개발 (pHEMT MMIC 기술 이용) 1998 ETRI LMDS 중계 시스템 국산화 (155 Mbps 급, GHz 대역) 1998 대영 전자 LG정밀

22 LMDS용 28GHz HPA MMIC (TRW社)
Digital LG LMDS용 28GHz HPA MMIC (TRW社) (1) Photograph of 28GHz Power Amplifier Transitor : InGaAS/AlGaAs/GaAs pHEMT 0.15 um × 320 um, 0.15 um × 480 um Substrate : 4 mil GaAs Model : Curtice nonlinear model 2-Stage LG정밀

23 LMDS용 28GHz HPA MMIC (TRW社)
Digital LG LMDS용 28GHz HPA MMIC (TRW社) (2) Power Amplifier의 성능 Output Power : GHz Power Added Efficiency : GHz Small Signal Gain : GHz LG정밀

24 LMDS용 28GHz HPA MMIC (TRW社)
Digital LG LMDS용 28GHz HPA MMIC (TRW社) (3) 주파수에 따른 최대 출력 전력 및 효율 주파수 밴드 : 26.5 ∼ 29.5 GHz Output Power : 33 Input power = 21 dBm Power Added Efficiency : 30 ∼ 35 % LG정밀

25 GaInP/GaAs HBT LNA (Queen Univ., Nortel社)
Digital LG GaInP/GaAs HBT LNA (Queen Univ., Nortel社) (1) Layout of LNA Transistor : 2 um × 2 um GaInP/GaAs HBT Substrate Thickness : 4 mil 4 Stage LG정밀

26 GaInP/GaAs HBT LNA (Queen Univ., Nortel社)
Digital LG GaInP/GaAs HBT LNA (Queen Univ., Nortel社) (2) 성능 측정 주파수 : 26.5 ∼ 30 GHz Gain : 15 dB 이상 Noise Figure : 5 dB LG정밀

27 Balanced Upconverter Mixer (Queen Univ., Nortel社)
Digital LG Balanced Upconverter Mixer (Queen Univ., Nortel社) (1) Layout of Balanced Mixer 3 um × 6.5 um GaInP/GaAs HBT Substrate Thickness : 4 mil Differential Pair of Gilbert Cell Mixer (Double Balanced Mixer) LG정밀

28 Balanced Upconverter Mixer (Queen Univ., Nortel社)
Digital LG Balanced Upconverter Mixer (Queen Univ., Nortel社) (2) Conversion Gain 주파수 대역 : 27 ∼ 30 GHz Conversion Gain : 약 1 dB LG정밀

29 결 론 1. mm-wave 대역의 무선 통신 시스템 발전 방향 2. 차량 충돌 방지 레이다를 설계, 제작
Digital LG 결 론 1. mm-wave 대역의 무선 통신 시스템 발전 방향 2. 차량 충돌 방지 레이다를 설계, 제작 - Switch, Mixer, Directional Coupler를 MMIC 설계, 제작, 특성 시험 3. B-WLL(LMDS) 시스템용 MMIC 제품 예 소개 LG정밀

30 MMIC 특성 측정 결과 (Mixer) Single Ended GaAs pHEMT Mixer RF LO IF
Digital LG MMIC 특성 측정 결과 (Mixer) Single Ended GaAs pHEMT Mixer fR = GHz fL = GHz fIF = 3.5 MHz PRF = dBm Vgs = -0.2 V Transistor : 4 um × 20 um GaAs pHEMT Substrate Thickness : 4 mil Chip Size : 1.2 mm × 1 mm G -15 -10 -5 5 10 -25 -20 Conversion Gain [dB] LO Power [dBm] Bias LO RF RF LO IF IF LG정밀