An Integrative Beamforming System Using Semiconductor-Based RFIC and Reconfigurable Intelligent Surface for 6G Networks = 6G 네트워크를 위한 반도체 기반 RFIC 및 재구성이 가능한 지능형 표면(RIS)을 이용한 통합 빔포밍 시스템

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation presents a semiconductor-based beamforming system for 5G and 6G networks enabled by electromagnetic phase control. Because 5G and 6G mobile communication environments suffer from severe path loss and blockage, highly directive beamforming architectures are required. In particular, precise electromagnetic phase control is indispensable for realizing such highly directive beamforming systems. Accordingly, this study provides practical technologies for implementing high-performance beamforming by developing an RFIC-based circuit for precise phase control, proposing a phasecontrol-enabled simplified MIMO antenna measurement system, and investigating Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) as a key hardware platform for beam manipulation. First, in the RFIC domain, a low phase-error vector modulator employing a transformer-type coupler and a varactor is proposed. To mitigate the frequency-dependent quadrature signal error inherent in filtertype I/Q generators, a tunable I/Q generator was designed using two couplers and a single varactor. This approach maintains a 90° phase difference between the quadrature signals over a wide frequency range. Moreover, the proposed CMOS-based circuit achieves low RMS phase error while simultaneously providing high gain. Second, in the antenna measurement domain, this dissertation proposes a MIMO antenna measurement system for compact over-the-air (OTA) environments by employing a PIN-diode-based transmissive metasurface as a wavefront manipulator. By operating the structure as an RIS, the incident wavefront is reshaped into a spatially uniform field distribution, thereby forming a far-field-like quiet zone even in the near field and enabling a simiplified antenna measurement configuration. In particular, the reconfigurability of the RIS allows precise quiet-zone formation over a wide frequency range. Moreover, by introducing a reference-phase concept, a more uniform wavefront can be synthesized at short measurement distances. Finally, in the spatial domain, this dissertation proposes a wafer-level transmissive RIS realized through semiconductor fabrication. By leveraging semiconductor processes to fabricate the active components required for RIS operation, a fully embedded unit-cell architecture is enabled. In particular, the proposed Spatial Overlap Diode (SOD) allows joint control of the on-resistance and off-capacitance, thereby enhancing the unit-cell performance. In addition, to overcome the high dielectric characteristics of the wafer substrate, magnetic coupling is incorporated into the signal transmission path, which enables high-efficiency unit-cell operation. Experimental results confirm a meaningful gain improvement and beam-steering capability of up to −45◦ to +45◦. Overall, this work presents an integrated beamforming platform that extends the concept of semiconductor based phase control across the circuit, measurement, and spatial domains, and provides a practical technological foundation for realizing high-performance beamforming in next-generation 5G and 6G wireless communication systems.

국문 초록 (Abstract)

본 학위논문은 전자기 위상 제어를 기반으로 5G 및 6G 네트워크를 위한 반도체 기반 빔포밍 시스템을 제시한다. 5G 및 6G 이동 통신 환경은 높은 경로 손실과 차폐 현상으로 인해 고지향성 빔포밍 구조를 요구한다. 이에 따라 본 연구는 정밀 위상 제어를 위한 RFIC 기반 회로를 개발하고, 위상 제어를 활용한 간소화된 MIMO 안테나 측정 시스템을 제안하며, 빔 조작을 위한 핵심 하드웨어 플랫폼으로서 Reconfigurable Intelligent Surface(RIS)를 연구함으로써 고성능 빔포밍 구현을 위한 실질적인 기술을 제시한다. 먼저 RFIC 영역에서는 transformer 형상의 coupler와 varactor를 활용한 low phase error Vector modulator 를 제안한다. Filter type I/Q generator가 갖는 주파수 의존적인 직교 신호 오차를 완화하기 위해, 두 개의 coupler와 하나의 varactor를 이용한 tunable I/Q generator를 설계하였다. 제안된 구조는 넓은 주파수 대역에서 I/Q 신호 간 90° 위상차를 유지하며, CMOS 기반 회로 구현을 통해 낮은 RMS 위상 오차를 달성함과 동시에 높은 이득을 확보하였다. 다음으로 안테나 측정 영역에서는 PIN diode 기반의 transmit type metasurface를 wavefront manipulator로 활용하여, 소형 over-the-air(OTA) 환경을 위한 MIMO 안테나 측정 시스템을 제안한다. 해당 구조를 RIS로 동작시킴으로써 입사 wavefront를 공간적으로 균일한 전계 분포로 재형성하고, 근거리에서도 원거리장과 유사한 quiet zone을 형성하여 안테나 측정 구성을 간소화하였다. 특히 RIS의 reconfigurable 특성을 활용함으로써 넓은 주파수 대역에서 정밀한 quiet zone 형성이 가능하며, reference-phase 개념을 도입하여 짧은 측정 거리에서도 보다 균일한 wavefront를 합성할 수 있도록 하였다. 마지막으로 공간 영역에서는 반도체 공정을 통해 구현된 wafer-level RIS를 제안한다. RIS 동작에 필요한 active component 제작에 반도체 공정을 활용함으로써 fully embedded unit-cell 구조를 가능하게 하였다. 특히 Spatial Overlap Diode를 제안하여 on-resistance와 off-capacitance를 동시에 제어할 수 있도록 함으로써 unit cell 성능을 고도화하였다. 또한 wafer 기판의 높은 유전 특성으로 인한 제약을 극복하기 위해 magnetic coupling을 신호 전송 경로에 적용하여 고효율 unit-cell 동작을 구현하였다. 실험 결과, 유의미한 이득 향상과 더불어 −45◦ to +45◦까지의 빔 조향 성능을 확인하였다. 종합하면, 본 연구는 반도체 기반 위상 제어 개념을 회로, 측정, 공간 영역으로 확장한 통합적 빔포밍 플랫폼을 제시하며, 차세대 5G 및 6G 무선 통신 시스템에서 고성능 빔포밍을 구현하기 위한 실질적인 기술적 기반을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• List of Tables v
• List of Figures vi
• 1 INTRODUCTION 1
• 2 Phase Control in RFICs for Beamforming Systems 15
• 2.1 Circuit Design 18
• 2.2 Measurement results 24
• 2.3 Conclusion 28
• 3 Phase Control in the Antenna Measurement System: Metasurface based OTA System 30
• 3.1 Design of the Wavefront Manipulator 33
• 3.1.1 Wavefront Manipulator Design 33
• 3.1.2 Wavefront Manipulation with Metasurface 42
• 3.2 Measurement 46
• 3.3 Conclusion . 55
• 4 Spatial Phase Control UsingWafer-Level RIS 58
• 4.1 Reflect type RIS based on semiconductor process 63
• 4.1.1 Fully-embedded PIN varactor Design 63
• 4.1.2 Reflect type RIS unit cell design 68
• 4.1.3 Reflect type RIS Design 72
• 4.2 Transmit type RIS based on semiconductor process 76
• 4.2.1 Selective Overlap Diode (SOD) Design 77
• 4.2.2 STARE (Semiconductor Transmit Array with Reconfigurable Element) Design 87
• 4.2.3 Experimental results 92
• 4.3 Method 97
• 4.3.1 Diode Fabrication 97
• 4.3.2 Measurement Setup 98
• 4.3.3 Bias-Line Effects analysis 101
• 4.3.4 Comparison results of the proposed SOD with other active components 103
• 4.3.5 Comparison Table of the STARE 107
• 4.4 Discussion 111
• Abstract (In Korean) 131