"RF 패키지 모델링 및 LNA, 믹서 설계"

국문 초록 (Abstract)

연구의 목적 및 중요성
1) 연구의 목적
본 연구는 실리콘 CMOS 기술을 사용한 RF 송수신기(transceiver)의 설계를 위한 연구개발을 수행하여 최종적으로 RF 수신기 (receiver)의 마이크로웨이브 영역(front-end)의 회로를 하나의 칩으로 통합하는 것이 최종목표이며 RF 수신기의 설계 협동 연구 중 본 연구 소 과제에서는 1차 년도에 RF 대역에서 널리 사용되는 패키지의 구조 및 전기적 특성을 고찰하고 고주파에서 발생할 수 있는 패키지의 기생 효과를 분석하여 RF 회로설계에 적용 할 수 있는 전기적 해석 방법과 시뮬레이션 할 수 있는 패키지의 등가 전기 회로 모델을 개발하여 최적의 RF회로 설계를 할 수 있는 RF 패키지 설계 및 검증 기술을 개발하는 것이 본 연구의 1차 년도의 목표다.
2) 연구의 필요성
⊙ RF 패키지 모델 연구의 필요성
최근 RF 회로의 집적화에 대한 요구의 증가와 이에 부합하기 위한 실리콘 CMOS 기술의 선택은 여러 가지 측면에서 많은 이점이 있다. 특히 낮은 가격으로 통신용 반도체 소자의 구현이 가능하고 집적도를 매우 높일 수 있는 기술이기 때문에 반도체 소자의 소형화 및 경량화의 실현이 가능하며, 더불어 실리콘 CMOS 기술은 낮은 동작 전압의 구현이 가능하므로 통신용 소자의 성능 향상에 매우 효과적이다[1][2]. 이러한 RF 영역에서 반도체 소자의 개발은 실리콘 CMOS로서 이미 다양한 제품이 개발되어 있으며 점차 보다 높은 주파수 대역에서 구현할 수 있는 고주파 회로에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다. 최근 0.1㎛ CMOS 기술은 약 100GHz의 f_t (차단주파수)를 증명하고 있으며 구동 능력면에서 CMOS의 낮은 성능과 선형 특성을 개선하면 현재 보다 더 높은 주파수의 RF 회로에서도 여타의 기술보다 유리할 것이다. 이미 900MHz 대역의 RF와 base-band(10KHz ∼ 2MHz의 채널 대역폭)의 기능은 실리콘 CMOS 기술을 사용하고 있다[3]-[5]. 하지만 실제적으로 RF 영역에서 실리콘 CMOS 기술의 활용에는 낮은 f_t 및 낮은 g_m 때문에 광대역 LNA의 성능을 제한 받고 있으며 전압 이득을 증가시키기 위하여 공진을 발생시키는 튜닝 (tuning) 혹은 임피던스 정합 (matching) 기술을 잘 활용하면 근원적으로 CMOS가 일부의 성능 면에서 BJT나 GaAs보다 떨어지더라도 이를 능히 극복 할 수 있다.
그러나 실리콘 CMOS 기술을 RF 회로 설계에 적용함에 있어서 RF 회로 자체의 설계도 중요하지만 패키지로 인한 전기적 기생 성분의 영향이 RF 회로의 성능 향상에 상당한 제약을 주기 때문에 패키지의 효과를 설계 초기 단계에서부터 고려하지 않는다면 보다 높은 주파수 대역에서 동작시키기 위한 RF 회로 설계에 또 다른 심각한 문제가 된다. 그러므로 RF 영역에서 실리콘 CMOS 기술을 이용한 회로 설계에서 패키지에 대한 정확한 모델이 없이 RF 회로의 설계 및 RF 회로의 동작과 성능에 대한 정확한 예측은 불가능하다. 즉, 패키지의 기생 효과로 인한 전기적인 문제는 RF IC 특성에 지대한 영향을 미치기 때문에 회로 설계의 초기 단계에서 패키지의 특성 및 영향을 분석하고 정확한 모델을 통하여 RF 회로 설계를 하는 것은 매우 중요하다. 따라서 RF 회로 설계의 초기 단계에서 패키지에 관한 정확한 특성 분석 및 회로 모델에 근거한 신호의 충실도 (signal integrity)를 충분히 예측하고 검증하여 최종 설계된 칩이 무리 없이 동작 할 수 있도록 하기 위한 패키지 회로 설계 기술의 개발이 무엇보다 중요하다.
3. 연구의 내용 및 접근 방법
연구를 효과적으로 수행하기 위하여 연구 개발 그룹을 RF-receiver 설계는 4개의 연구 그룹으로 구성하였으며 본 연구 소그룹에서는 패키지 모델링, LNA 설계, 및 믹서를 설계하여 타 연구그룹의 결과와 유기적으로 협동연구를 수행한다. 설계에 필요한 공정은 기존에 안정화된 제작 기술 (fabrication)을 사용하며 소자 모델링, 회로의 설계, 그리고 회로의 레이아웃은 각 연구 소그룹에서 담당하여 통합한다. 1차 연도에는 RF 패키지 모델링을 수행하고 2차 년도에는 LNA를 설계하며 3차년도에는 믹서를 설계한다. 그 구체적
??
4. 연구 결과
본 연구에서 수행한 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) RF 패키지 내부의 전류 흐름에 대한 물리적 현상을 반영한 전기적 등가 회로 모델의 제시
(2) RF 패키지의 전기적 특성을 효과적으로 예측할 수 있는 시뮬레이션 기법의 개발
(3) RF 패키지의 전기적 특성에 의한 기생 성분의 추출 방법 제시
(4) 패키지에 제공되는 그라운드 리드의 숫자와 위치 또는 거리 관계에 의해서 RF IC 회로에 미치는 영향 분석
(5) RF IC 패키지 등가 회로 모델의 검증 방법 제시
5. 기대 효과
본 연구에서 제시한 등가회로 모델 및 모델링 기법은 RF 대역에서 패키지의 영향을 정확히 예측할 수 있을 뿐 아니라 CMOS RF IC 회로 설계의 최적화와 패키지의 기생 성분 파라미터 값의 정확한 추출이 가능하기 때문에 RF 회로 설계의 초기 단계에서 패키지의 영향을 고려한 정밀한 튜닝 (tuning)이나 정합을 통한 RF 회로 성능을 극대화 할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 초록문
• 요약문
• 제1장 연구의 배경
• 제2장 RF 패키지의 특성
• 제3장 SOP(small outline package)의 RF 회로 모델
• 제4장 SOP의 파라미터 추출
• 제5장 Full-wave 해석을 통한 모델의 타당성 검증
• 제6장 결론
• 참고문헌