Ⅰ. 서 론
최근 레이더 및 위성 통신 분야에서는 X/Ku 대역(8-16 GHz)을 모두 지원하는 광대역 빔포머 IC의 수요가 급증하고 있다. 기존 연구들은 고주파 기생 성분을 줄이기 위해 주로 고비용의 플립칩(flip-chip) 패키징을 사용했다[1]~[5]. 반면, 저렴하고 내구성이 뛰어난 QFN 패키징은 본딩 와이어의 기생 성분과 채널 간 전자기적 간섭으로 인해 광대역 특성 확보가 까다롭다.
이에 본 논문에서는 65-nm CMOS 공정 기반의 고집적 4-채널 광대역 빔포머 송수신기 IC 설계 및 패키징 최적화 연구를 제시한다. Full-wave EM 시뮬레이션으로 QFN 패키지 내부의 간섭 원인을 규명하고, RF 접지 본딩 구조를 최적화해 8~16 GHz 전 대역에서 안정적인 동작을 구현하였으며, 그에 따른 상세한 측정 결과를 명시한다.
Ⅱ. 빔포머 시스템 및 회로 설계
칩은 그림 1과 같이 단일 칩에 송수신 각각 4개, 총 8개의의 RF 채널을 집적하고 있으며, 각 채널은 양방향 통신을 위한 T/R 스위치, 360° 위상 제어가 가능한 AVM (active vector modulator) 기반의 위상 천이기, 최대 35 dB 범위의 가변 이득 증폭기(VGA), 그리고 저잡음 증폭기(LNA)와 전력 증폭기(PA)로 구성된다. 삽입 손실과 격리도 간의 트레이드 오프 관계가 최적화된 SPDT 스위치[6]로 송수신 모드를 전환한다. 4개의 채널을 단일 RF 입출력(RFIO) 포트로 통합하기 위해 집적된 광대역 4:1 윌킨슨 전력 분배기/결합기는 브릿지-T 코일(bridged-T coil) 기법을 적용하여, 8~16 GHz의 광대역 특성과 칩 소형화를 동시에 달성하였다[7]. 그리고 고주파 대역에서 선로 손실을 줄이는 slow-wave 기술을 참고하였다[8]. 모든 채널의 제어 및 바이어스는 공유된 SPI를 통해 디지털로 설정된다. 각 경로의 성능은 그림 2와 같다.
수신부의 저잡음 증폭기(LNA)와 송신부의 전력 증폭기(PA)는 광대역 특성과 높은 출력 스윙, 신뢰성 확보를 위해 각각 RC 피드백이 적용된 차동 캐스코드와 body-contacted 캐스코드 구조를 채택하였다. 두 증폭기 모두 단일 종단-차동 신호 간의 변환 및 광대역 임피던스 정합을 위해 입출력단에 변압기 기반 매칭 네트워크를 적용해 성능을 최적화하였다.
그림 3에서 가변 이득 증폭기는 광대역에서 높은 제어 정밀도를 갖도록 설계되었다. 위상 천이기는 면적과 삽입 손실을 줄이기 위한 출력 매칭 네트워크(OMN) 및 직교 전대역 필터(QAF) 회로를 이용하였고 그림 4와 같다. 이득을 바꿀 때 발생하는 위상 오차를 억제하기 위해 중화 커패시터 분석 및 기법을 적용하였다[9]. 다음 단의 부하 커패시턴스(CL)로 인한 오차를 상쇄하도록 QAF 브랜치에 직렬 저항(RS)을 추가하여 I/Q 직교 정밀도를 향상시켰다. 또한, 64개의 유닛 셀로 조절되는 VGA는 이득 상태 변환 시 발생하는 기생 커패시턴스 변동을 상쇄하기 위해 20 fF의 중화 커패시터(CNEU)를 교차 결합(crosscoupled) 형태로 추가하였다. 이를 통해 35 dB의 넓은 이득 제어 범위 내에서도 일정한 출력 임피던스를 유지하여 RMS 위상 오차를 최소화하였다.
본 트랜시버의 핵심 제어 블록인 능동 위상 천이기(active phase shifter)는 그림 5(a) 및 그림 5(b)와 같이 직교 신호(I/Q)를 생성하는 직교 전대역 필터(quadrature all-pass filter), 위상 벡터를 합성하는 능동 벡터 변조기(active vector modulator), 그리고 대역폭 확장을 위한 그림 4의 출력 매칭 네트워크로 구성된다.
출력 위상의 조절은 AVM 내부 I와 Q 경로에 배치된 두 개의 Gilbert-cell 기반 가변 이득 증폭기의 이득 비 조정을 통해 이루어진다. 각 I/Q 브랜치는 65-nm deep-n-well 6-단자 트랜지스터 소자를 binary-weighted 구조로 분할 구현하여 정밀도를 높였으며, 1개의 극성 비트와 결합하여 총 12비트의 디지털 코드로 구동된다. 이를 통해 전체 X/Ku 대역에서 2.8125°의 미세 제어 해상도로 360° 전체 위상 범위를 확보하였다. 또한, 레이아웃상에서 발생할 수 있는 비대칭 기생 성분과 위상 불균형을 차단하기 위해, 가장 가중치가 큰 VGA 셀을 센터에 두고 소형 셀들을 외곽에 대칭 배치하는 완전 대칭형(fully symmetric) 배치 방안을 설계에 반영하였다.
I/Q 신호의 직교 정확도는 전체 위상 제어 오차를 결정하는 지표이므로, 본 연구에서는 다단 RC 폴리페이즈 필터(PPF)가 갖는 고유의 높은 삽입 손실과 면적 증가 문제를 극복하고자 참고문헌 [10]의 초소형 광대역 QAF 구조를 채택하였다.
일반적인 QAF는 다음 단의 입력 임피던스 및 기생 부하 커패시턴스(CL)에 의한 직교성 열화에 취약하다. 이러한 로딩 효과를 억제하기 위해 일반적으로 필터 내부 커패시터 크기를 키우는 방식이 사용되나, 이는 전단 증폭기의 구동 설계 난이도를 높이는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 본 연구에서는 QAF의 high-Q LC 브랜치에 직렬 저항(RS)을 삽입하여 부하 효과에 대한 민감도를 획기적으로 낮추었다. RS 성분은 수식상 필터의 전달함수 내 Zero의 위치를 변경시키지 않으므로 고유의 직교 주파수 관계를 완벽하게 보존하면서도, 기생 부하 성분(CL)에 의한 크기 오차(Aerror) 및 위상 오차(Φerror)를 억제한다. 3D EM full-wave 시뮬레이션 결과, 제안된 QAF 구조는 광대역 전체에서 위상 오차 2° 이하, 진폭 오차 0.36 dB 이하의 우수한 직교 정밀도를 나타낸다.
Ⅲ. QFN 패키징 및 EM 커플링 분석
다채널 광대역 빔포머 IC를 저비용 QFN 패키지로 구현 시, 밀집된 RF 포트와 본딩 와이어 간에 심각한 전자기적(EM) 커플링이 발생할 수 있다. 초기 설계(QFNCP1)는 RF 접지를 하단 노출 패들(exposed paddle)로 연결하는 이중 다운 본딩(double-bond downbonds) 구조를 적용했으나 시스템 불안정성이 관찰되었다. 이를 규명하기 위해 3D full-wave EM 시뮬레이션을 수행한 결과, 노출 패들을 매개로 4개 채널의 RF 접지 전류가 상호 섞이며 강한 커플링이 형성됨을 확인하였다. 결과적으로 코어 회로 격리도와 무관하게 패키징 레벨의 공통 접지 간섭이 송신부(TX) 전체의 안정성을 저하시키는 것을 그림 6(a)~그림 6(c)에서 확인하였다. 기존 QFN 패키징 방식(QFNCP1)에서 주로 사용되는 다운 본딩은 노출패들을 모든 채널이 공유하게 하므로, 패키지 내부에서 심각한 전자기적 커플링(cross-talk)과 원치 않는 스파이크 성분을 유발한다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 패널티로 작용하는 본딩 인덕턴스의 증가를 감수하고, RF 접지 패드의 내부 패들을거치지 않고 외부 리드(lead)로 직접 연결하여 모든 GND를 독립적인 패키지 리드로 분리하는 직선형 본딩 구조(QFNCP2)를 새롭게 제안하였다. 증가된 인덕턴스로 인한 광대역 성능 열화 및 채널 간 mismatch는 칩 내부의 임피던스 매칭 최적화 및 후술할 최적 상태 선택 알고리즘을 통해 극복하였다. 개선된 구조에 대해 Keysight RFPro(FEM 엔진)를 사용하여 전체 QFN 패키지를 정밀하게 3D EM 및 co-simulation을 진행하였다.
공통 접지 패턴은 실제 리드프레임과 기판 비아(via) 배열을 포함한 현실적인 접지 경계 조건으로 모델링되었으며, 와이어 길이 및 본딩 방식 변화에 따른 격리도 분석하여 비교하였고 결과는 그림 7과 같다. 노출 패들에서의 전계 커플링이 효과적으로 제거되고 TX 이득 스파이크 현상이 대폭 완화됨을 확인하였다. 실제 QFNCP2 구조로 재조립된 빔포머 IC는 8~16 GHz 전 대역에서 발진 없이 안정적인 S-파라미터 및 이득 특성을 나타냈다.
Ⅳ. 실험 및 결과
그림 8에서 확인 가능한 4-채널 빔포머 IC는 4.4 × 4.0 mm2 면적으로, 개선된 QFN 패키징(QFNCP2)을 적용하여 평가 보드(EVB) 상에서 성능을 측정하였다. 8~16 GHz 대역에서 2.8125° 해상도로 360° 위상 제어가 가능하며, 가변 이득 증폭기와 감쇠기를 결합해 총 35 dB의 이득 제어를 지원한다. 하드웨어 비선형성 및 접지 기생 성분으로 인한 상호 위상-이득 오차를 보정하기 위해 MATLAB 기반의 최적 상태 선택 알고리즘을 적용하였다. 본 알고리즘은 전 주파수 대역에서 128개 위상 상태의 이득 변동을 1 dB 이내로 제한하고 디지털 코드 간의 비선형성을 보상하도록 선제적으로 구축된 S-파라미터의 look-up table에서 최적의 코드를 탐색 및 선택하여 구동된다. 알고리즘의 내용은 그림 9 및 그림 10과 같다. 그림 11은 최적값 선택 알고리즘을 통해 추출된 128개 위상 상태의 측정 결과이다. 그림 12는 이득 보정 알고리즘 적용 후의 측정 결과를 보여주며, 35 dB의 이득 제어 범위 내에서 선형성을 확보함과 동시에 이득 가변 시 발생하는 부가적인 위상 오차가 안정적으로 억제됨을 종합적으로 나타낸다. 그림 13에 나타난 바와 같이 최적 위상 상태 선택 알고리즘 적용 후 RMS 위상 오차는 1.45°~2.1°(평균 1.78°)로 대폭 감소하여 제어 정밀도가 크게 향상되었다. 이득 제어의 경우, 그림 10의 이득 알고리즘 보정을 통해 그림 12(b)와 같이 35 dB 범위 내에서 선형성을 확보하였으며, 대역 내 RMS 이득 오차는 그림 13(b)에서 볼 수 있듯이 0.53~0.62 dB로 조절되었다. 이때 이득 변화에 따른 부가적인 RMS 위상 오차는 그림 12(d)와 같이 VGA 단독 제어 시 4° 미만, 2-bit 감쇠기 결합 시에도 10° 미만으로 안정적으로 억제됨을 확인하였다. 8~16 GHz 전체 대역에서의 연속적인 임피던스 정합 및 이득 특성은 그림 6의 측정된 송수신 모드 S-parameter 특성 그래프를 통해 광대역 동작이 안정적으로 수행됨을 확인할 수 있다.
