Design of Temperature Compensation Circuit for W-band Radar Receiver

W-band 레이더 수신기용 온도보상회로 설계

Abstract

In this paper, a temperature compensation circuit is presented in order to mitigate gain variability due to temperature in the W-band low-noise amplifier (LNA). The proposed cascode temperature compensation bias circuit automatically controls gate bias voltages of the common-source LNA in order to suppress variations of small-signal gain. The designed circuit was realized in a 100-nm GaAs pHEMT process. The simulated voltage gain of W-band LNA including the proposed bias circuit is >20 dB with gain variability less than ±0.8 dB in the range of temperatures between -35 to 71℃. We expect that the proposed circuit contributes to millimeter-wave receivers for stable performances in radar applications.

본 논문에서는 W-대역 저잡음증폭기의 온도에 따른 이득 변동을 경감시킬 수 있는 온도보상회로를 기술하였다. 제안된 캐스코드 온도보상 바이어스회로는 공통-소스 저잡음증폭기의 게이트 바이어스를 자동으로 조절하여 소신호 이득의 변화를 억제한다. 설계된 회로는 100-nm GaAs pHEMT 공정 디자인킷으로 구현되었다. 제안된 바이어스 회로를 적용한 W-대역 저잡음증폭기의 시뮬레이션 이득값은 -35~71℃ 범위에서 20 dB 이상, ±0.8 dB 내의 변동값을 보였다. 본 논문에서 제시한 회로는 레이더용 밀리미터파 수신기에 적용되어 안정적인 성능을 낼 수 있을 것으로 기대된다.

Ⅰ. 서론

밀리미터파 대역 중에서 W-대역 (75-110 GHz)은 파장이 짧고 넓은 동작주파수 대역을 가지므로 고해상도 탐지에 적합하며, RF 부품들의 소형화 및 경량화가 가능하여 방산분야에서는 주로 레이더 시스템 분야에서 활발하게 연구가 진행되고 있다^[1-5]. 레이더 송수신부를 구성하는 RF 부품인 MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit)의 경우 밀리미터파 대역에서는 수출면허계획에 의해 수입에 제한이 따르며, 부품단가가 높기 때문에 핵심 부품들의 적극적인 국산화를 통해 국내환경에 적합한 RF 송수신단의 개발이 요구된다.

밀리미터파 대역에서는 100-nm GaAs HEMT 공정을 활용한 저잡음증폭기 (Low-Noise Amplifier)들이 제안되었다^[6-7]. 특히 100-nm GaAs pHEMT 공정은 기존 150-nm GaAs 공정에 비해 W-대역에서 이득 및 잡음지수 특성이 우수하며, mHEMT 공정보다 breakdown voltage가 높으므로 밀리미터파 수신부에 적합한 공정이라고 할 수 있다. 다만 위 연구결과들의 주요 성능값은 외부온도가 변함에 따라 특성이 달라질 수 있다. 특히 고이득 특성을 갖는 저잡음증폭기의 경우 고온에서 이득 및 잡음지수가 나빠질 수 있으며, 저온에서는 전류소모 및 이득이 커지므로 발진의 위험성이 존재한다. 온도에 따라 변화된 이득값은 중간주파수 단에서 이득을 조절하여 보상할 수 있지만, 열화된 잡음지수를 보상하기는 어려우므로 안정적인 레이더 시스템 운용을 위해서는 온도에 둔감한 저잡음증폭기 설계가 필요하다.

증폭기에서 온도보상 방식으로는 크게 감쇄기를 이용하는 방식과 증폭기의 바이어스를 조절하는 방식으로 나눌 수 있으며, 밀리미터파 대역에서는 추가 삽입손실이 없으며 상대적으로 간단한 구조를 가지는 게이트 바이어스 회로들이 제안되었다^[8-10].

본 논문에서는 100-nm GaAs pHEMT 공정을 이용하여 W-대역 저잡음증폭기에 적용 가능한 온도보상회로를 설계하였으며, 이득 변동을 줄이고자 하였다. 이를 위해 같은 공정으로 W-대역 저잡음증폭기를 제작 및 측정하여 특성을 사전 검증하여 설계에 반영하였다.

Ⅱ. 온도보상회로 설계

1. W-대역 저잡음증폭기 MMIC

그림 1은 개발된 수신부용 W-대역 저잡음증폭기를 나타내고 있다. 목표 성능은 전압이득 20 dB 이상, 잡음 지수 5 dB 이하이며, 밀리미터파 대역에서 목표 이득을 달성하기 위해 4-stage 다단구조를 채택하였다. 높은 전압이득 및 낮은 잡음지수를 얻기 위해 2x25 μm 소자를 사용하였으며, Win Semiconductor의 6인치 100-nm GaAs pHEMT 공정을 이용하여 제작되었다. On-wafer probing 측정으로 얻은 s-parameter 결과는 W-대역 주파수에서 0 dB 이상, 중심주파수에 20.5 dB 의 전압득을 나타내고 있다.

그림 1. 개발된 W-대역 저잡음증폭기 (a) 사진 (b) S-파라미터 측정결과

Fig. 1. Fabricated W-band LNA (a) photograph (b) Measured S-parameter results

표 1. W-대역 저잡음증폭기 측정결과

Table 1. Measurement results of the W-band LNA

2. 온도보상회로 구조

저잡음증폭기의 온도보상 구조를 그림 2에 나타내었다. 기준 게이트 바이어스 전압은 Vg1 = Vg2 = -0.5 V, Vg3 = Vg4 = -0.3 V 이며, Vg1 및 Vg2를 별도의 on-chip 온도보상회로에서 조절하여 온도 변화에 따른 증폭기의 이득 변동을 줄이고자 하였다. 저잡음증폭기의 앞 두 단은 트랜지스터 크기 및 게이트 전압이 동일하므로 하나의 바이어스 회로로 전압 조절이 가능하며, 앞 두 단의 게이트 전압만 조절하여도 필요한 만큼의 이득조절이 가능하다. Vg3, Vg4 및 드레인 전압은 출력단의 선형성에 영향을 줄 수 있으므로 별도의 조절을 하지 않았다.

그림 2. W-대역 저잡음증폭기의 온도보상 구조

Fig. 2. Structure of the temperature compensation of W-band LNA

제안된 캐스코드 온도보상회로 구조를 그림 3에 나타내었다. 이 회로는 외부전원 VSS를 받아들여 Vg 전압을 출력하며, 저잡음증폭기의 게이트 바이어스 회로로 사용된다.

그림 3. 제안된 캐스코드 온도보상회로

Fig. 3. Proposed cascode temperature compensation circuit

다이오드를 활용한 온도보상회로의 동작원리는 여러 문헌을 통해 보고되었다^[8][10]. 온도가 증가함에 따라 다이오드의 임계전압이 감소하여 R2에 걸리는 전압이 증가하므로 M1의 소스 전압이 증가하며, R1에 걸리는 전압 또한 증가하므로 M1의 게이트 전압이 줄어들어 M1의 Vgs가 줄어들게 된다. 즉, M1의 드레인 전류가 감소하므로 출력 Vg 값이 증가하여 고온에서 감소된 증폭기 이득을 보상할 수 있다. 온도가 감소할 경우 반대로 M1의 Vgs가 증가하므로 출력 Vg 레벨이 줄어들어 증폭기의 이득을 줄이는 방향으로 작용하게 된다.

제안된 온도보상회로는 기존방식과 달리 캐스코드 구조를 채택하였으며, 출력 임피던스가 높으므로 출력 Vg 가 변하더라도 드레인 전류의 변동이 적고, 공통-소스 증폭기에 비해 같은 크기의 다이오드 사용시 더 큰 전압이득을 얻을 수 다는 장점이 있다. 온도변화에 따른 충분한 출력 Vg 값을 얻기위해 다이오드 2개를 직렬로 연결하였으며 각 다이오드의 임계전압은 약 0.95 V이다. 이때 다이오드 D1 및 D2를 동시에 동작시키면서 M1에 적정 Vgs를 인가하기 위해 VSS는 –5 V로 선정하였다. M2의 게이트 바이어스는 그림 3과 같이 다이오드를 사용하여 인가하였으므로 별도의 저항분배 회로 등을 줄일 수 있으며, M2의 게이트 바이어스는 다이오드의 온도특성에 따라 변하므로 출력 Vg 변동에 기여할 수 있다는 장점이 있다.

Ⅲ. 시뮬레이션 및 결과

그림 4는 설계된 온도보상회로의 DC 시뮬레이션 결과를 보여준다.

그림 4. 온도보상회로의 출력 전압

Fig. 4. Output voltage of the temperature compensation circuit

그림 4와 같이 기준 출력 전압이–0.5 V@-25 ℃가 되도록 부하저항 R_L을 조정하였으며, 다이오드 크기 및 R1, R2 값을 조정하여 온도에 따른 그래프의 기울기 및 출력 전압을 조정하였다. 온도보상회로의 출력 전압은 비선형 특성을 가지므로, –35 ~ +71 ℃ 온도 범위에서 저잡음증폭기의 이득 편차가 ±1 dB 이하가 되도록 최적화하였다. 이 때 온도보상회로의 출력전압 범위는 -0.66 ~ -0.32 V이다.

저잡음증폭기의 이득 특성을 그림 5에 나타내었다. 저잡음증폭기의 이득 특성은 그림 5(a)와 같이 기준주파수에서 약 5.4 dB의 이득변동이 존재한다. 온도보상회로 적용시 그림 5(b)와 같이 이득 변동을 줄일 수 있으며, 기준주파수에서 이독 변동은 약 0.76 dB로 목표값인 ±1 dB 이내의 이득값을 달성하였다.

그림 5. 저잡음증폭기의 이득 시뮬레이션 결과: (a) 온도보상회로 미포함 (b) 온도보상회로 포함

Fig. 5. Simulated gain results of the low-noise amplifier: (a) without temperature compensation circuit (b) with temperature compensation circuit

설계된 온도보상회로는 저잡음증폭기와 동일한 공정인 100-nm GaAs pHEMT 공정을 이용하여 제작되었으며, 그림 6는 제작된 회로의 레이아웃을 보여준다. 칩의 면적은 테스트용 DC 패드를 포함하여 350 μm × 400 μm이다.

그림 6. 온도보상회로 레이아웃

Fig. 6. Layout of the temperature compensation circuit

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 100-nm GaAs pHEMT 공정을 활용하 W-대역 저잡음증폭기에 적용 가능한 온도보상회로를 설계하였다. W-대역에서 추가손실이 있는 감쇄기 혹은 디지털 제어 방식 대신 다이오드의 온도특성을 활용한 게이트 바이어스 조절방식의 온도보상회로를 설계 및 적용하였다. 해당 회로가 적용된 W-대역 저잡음증폭기의 이득 변동을 ±1 dB 이내로 조절 가능함을 확인하였다.