밀리미터파 송신기를 위한 저손실·소형 D-대역 4-way 전력·분배 결합기 연구 = A Low-Loss, Compact D-Band 4-Way Power Divider/Combiner for Millimeter-Wave Transmitters|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation presents a high-efficiency four-way differential power combiner designed for millimeter-wave and sub-terahertz frequency applications. Conventional Wilkinson combiners and multistage transformer-based structures suffer from increased metal loss, limited bandwidth, and layout complexity in the D-band, making on-chip integration difficult. To address these limitations, this work proposes a new power-division architecture that combines a transformer-based triport network with a differential two-way combiner employing capacitive loading.
The tri-port transformer is designed by analyzing its magnetic coupling mechanism, including magnetizing inductance, leakage inductance, and mutual inductance, to achieve simultaneous power division and phase balance within a single magnetic structure. The differential two-way
power combiner utilizes capacitive loading to shorten the electrical length of the transmission line, thereby reducing area and minimizing insertion loss. The overall combiner is designed through a combination of circuitlevel modeling and three-dimensional electromagnetic simulations, ensuring wideband operation and excellent phase balance in the D-band. Since on-wafer single-ended probing is required for measurement, a dedicated Marchand balun test pattern is fabricated to independently characterize balun performance, including insertion loss, phase imbalance, and common-mode rejection. The effects of the balun, probe pads, and back-end metal routing are removed through a systematic de-embedding procedure, enabling accurate extraction of the intrinsic characteristics of the proposed four-way differential combiner. The power combiner is implemented in a 65-nm CMOS process. After de-embedding, the measurement results demonstrate an input return loss better than 10 dB from 131 to 154 gigahertz, a minimum insertion loss of 1.89 dB, and a peak port-to-port isolation of 24 dB. The amplitude and phase balance among the four outputs are consistently maintained across the band, validating the effectiveness of the proposed architecture. The results of this study enable a compact and high-performance power-division solution for D-band transmitters, high-resolution imaging radars, and emerging sub-terahertz communication systems. The presented architecture contributes to the development of next-generation millimeter-wave integrated circuit transmitter front-ends requiring wide bandwidth, low loss, and precise multi-path phase alignment.

번역하기

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 밀리미터파 및 서브테라헤르츠 주파수 대역에서 사용하기 위한 고효율 4-way 차동 전력 결합기 구조를 제안한다. 기존 Wilkinson 전력 결합기나 다단 트랜스포머 기반 구조는 D-대역에서 금속 손실 증가, 대역폭 제한, 복잡한 레이아웃 문제를 야기하여 온칩 구현에 제약이 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 본 연구에서는 트랜스포머 기반 Tri-port 네트워크와 용량성 부하를 적용한 차동 2- way 결합기를 단일 구조로 통합한 새로운 전력 결합 방식을 제시한다. Tri-port 변압기는 자화 인덕턴스, 누설 인덕턴스 및 상호 인덕턴스를 기반으로 한 결합 메커니즘을 활용하여, 단일 변압기 내에서 세 경로 간의 전력 결합과 위상 균형을 동시에 달성하도록 설계되었다. 또한 차동 2-way 전력 결합기는 용량성 부하를 이용하여 전송선의 전기적 길이를 단축함으로써 크기를 최소화하고 삽입 손실을 줄였다. 제안된 구조는 전자기 시뮬레이션과 회로 기반 모델을 결합하여 설계되었으며, D- 대역에서 요구되는 넓은 대역폭과 높은 위상 균형 특성을 확보하였다. 온칩 측정에서는 단일 종단–차동 변환이 필수적이므로, Marchand 발룬 기반 테스트 패턴을 별도로 제작하여 발룬의 삽입 손실, 위상 불균형, 공통 모드 제거 특성을 독립적으로 평가하였다. 이후 디임베딩 절차를 통해 발룬 및 측정 패드와 금속 배선에 기인한 기생 성분을 제거하여 4- way 전력 결합기의 본래 특성을 복원하였다. 제작된 4-way 차동 전력 결합기는 65-nm CMOS 공정에서 구현되었으며, 측정 결과 131 GHz에서 154 GHz 범위에서 10 dB 이하의 입력 반사 계수를 확보하였다. 최소 삽입 손실은 1.89 dB로 확인되었으며, 출력 포트 간 최대 이격은 24 dB을 달성하였다. 네 출력 포트 간 진폭 및 위상 균형은 전 대역에서 안정적으로 유지되어 제안된 구조의 유효성이 입증되었다. 본 연구의 결과는 D-대역 송신기, 고해상도 레이더, 서브테라헤르츠 통신 시스템 등 고주파 집적회로 분야에서 요구되는 고성능 전력 결합기 구현을 가능하게 하며, 차세대 밀리미터파 송신기 구조 개발에 기여할 수 있다.

번역하기

본 논문에서는 밀리미터파 및 서브테라헤르츠 주파수 대역에서 사용하기 위한 고효율 4-way 차동 전력 결합기 구조를 제안한다. 기존 Wilkinson 전력 결합기나 다단 트랜스포머 기반 구조는 D-대...

목차 (Table of Contents)