5GHz 대역 무선 LAN용 RF 수신기 전단부 설계에 관한 연구

Size: px

Start display at page:

Download "5GHz 대역 무선 LAN용 RF 수신기 전단부 설계에 관한 연구"

소희 시
6 years ago
Views:

1 工學碩士學位請求論文 5GHz 대역무선 LAN 용 RF 수신기전단부 설계에관한연구 A Study on the Design of RF Front-End Stage for 5GHz Band Wireless LAN Receiver 2004 年 2 月仁荷大學校大學院電子工學科 ( 電子通信專攻 ) 宋在麟

2 工學碩士學位請求論文 5GHz 대역무선 LAN 용 RF 수신기전단부 설계에관한연구 A Study on the Design of RF Front-End Stage for 5GHz Band Wireless LAN Receiver 2004 年 2 月指導敎授朴孝達 이論文을工學碩士學位論文으로提出함 仁荷大學校大學院電子工學科 ( 電子通信專攻 ) 宋在麟

3 이論文을宋在麟의碩士學位論文으로認定함 2004 年 2 月日主審 : 副審 : 委員 :

4 요약 - i -

5 - ii -

6 - iii -

7 - iv -

8 - v -

9 - vi -

10 - vii -

11 - viii -

12 제 1 장서론 - 1 -

13 - 2 -

14 - 3 -

15 제 2 장 RF 시스템분석 - 4 -

16 Power Level Modulated Signal Receiver-Added Noise Multi-User Noise Thermal Noise Channel Bandwidth Frequency Power Level RF Filter IF Filter Channel Bandwidth Frequency - 5 -

17 P OUT (db) 1dB P OUT,1dB Dynamic Range P OUT,MDS P IN,MDS P IN,1dB P IN (db) - 6 -

18 - 7 -

19 Output Power (dbm) Third-order intercept Point Output IP 3 Power Linear product (slop=1) Third-order product (slop=3) fundamental IMD3 IM3 Input IP 3 Input Power (dbm) freq

20 Balun Balun I/Q mod & Demod ISL 3787 BaseBand Processor ISL

21 - 10 -

22 2.4 Ghz band 5 Ghz band 2001 IEEE g ( >= 20 Mbps) 2000 HomeRF 2.0 FH (10 Mbps) ETSI BRAN HYPERLAN/2 (6 ~ 54 Mbps) 1999 HomeRF FH (1.6 Mbps) IEEE b (1~11 Mbps) IEEE a (6 ~54 Mbps) 1997 IEEE FH (1~2 Mbps) IEEE DS (1~2 Mbps) 1996 Proxim OpenAir FH (1.6 Mbps) ETSI BRAN HIPERLAN/1 (23 Mbps)

23 표준 b a b core c d e f g h i 표준내용 2.4Ghz ISM band 에서 ½Mbps 전송속도를가지는 Infraed,FHSS,DSSS 등 3 가지 PHY & MAC 개발 2.4Ghz ISM band 에서최대 11Mbps 전송속도를가지는고속 PHY 개발 5Ghz UNNI band 에서최대 54Mbps 전송속도를가지는고속 PHY 개발 b MIB 정의에서의결함수정 802.1d 에서 프레임지원 에서정의되지않은다른국가들의주파수사용규정및요구사항반영 QoS 보증을위한 MAC 강화 억세스포인트간의표준화된프로토콜개발 2.4Ghz ISM band 에서 20Mbps 이상의전송속도를지원하는고속 PHY 개발 a 에서전송전력관리기능, 동적주파수선택기능추가보안을위한 MAC 강화 승인일자 진행중 진행중 진행중 진행중진행중진행중진행중

24 - 13 -

25 - 14 -

26 Power Spectral Density(dB) Transmit Spectrum Mask(not to scale) Typical Signal Spectrum (an example) 20dBr 28dBr 40dBr f C Frequency(MHz)

27 - 16 -

28 - 17 -

29 -65dBm SNR Input PER < 10 PSDU Rx Demod Required SNR Eb/N 0 = 18.5 db Baseband Output Chip BER = PER < 10 PSDU k = 볼츠만상수 ( )

30 N = ktb = 10 log( kt ) + 10 log( BW ) = 10 log( ) + 10 log( ) = 174dBm dBm =

31 본 논문에서 사용하고 있는 INTERSIL사의 ISL3877 변조기의 각 변조 방식에 의한 PER대 Eb/N0를 나타낸 그림을 보면 각 전송속도에 따른 Eb/N0를 구할 수 있다. 1E + 0 6Mbps 9Mbps 12Mbps 1E 1 18Mbps 24Mbps 36Mbps PER 48Mbps 1E 2 54Mbps 1E 3 1E Eb / N / 그림 2.9 ISL3877의 PER vs Eb/N0 성능 Fig. 2.9 The PER vs Eb/N0 performance for each data rate PER이 10-1 일때의 Eb/N0의 값을 읽으면 각각의 데이터 율에 따라 54Mbps일 때 18.5dB임을 알 수 있다 처리이득 신호가 시스템을 통과하면서 고유의 시스템 방식에 따라 이득이 발생하 게 되는데 이를 처리이득(Processing Gain)이라 한다. 처리이득을 식으로 표현하면 다음과 같다. Chip _ rate [db ] PG = 10 log Data _ rate (2.15) 여기서 칩속도는 변조방식에 따라 달라지는 것이다. 표 2.7에는 각각의 데이터속도에 따른 처리이득을 나타내고 있다. 데이터 속도가 감소할 수록 처리이득은 증가하게 된다

32 - 21 -

33 - 22 -

34 제 3 장 RF 시스템분석및시뮬레이션 RF system 설계시작 목표 성능 E b /N 0 SNR 수신단의입력전력레벨 송신단의출력전력레벨 변조기의입력전력레벨 RF system 설계 종료

35 Required performance 전송률 54Mbps 사용범위 50m(indoors) PER

36 Eb/N0의 그래프를 보고 Eb/N0값을 결정한다. 1E + 0 6Mbps 9Mbps 12Mbps 1E 1 18Mbps 24Mbps 36Mbps PER 48Mbps 1E 2 54Mbps 1E 3 1E Eb / N 그림 3.2 ISL3877의 PER 대 Eb/N0 성능 Fig. 3.2 The PER vs Eb/No performance of ISL3877 그림 3.2에서 보듯이 Eb/N0의 값은 18.5dB가 된다. 이 값을 적용하여 SNR을 계산한다 SNR = ( Eb / N 0 ) ( Rb / BT ) (3.1) Eb = 비트 정보당 필요한 에너지 N0 = 대역폭 당 열잡음 Rb = 시스템 에러율 BT = 시스템 대역폭 주어진 Eb/N0의 값을 넣어 SNR을 계산하면 SNR = 23.63dB가 된다. 그러면 다음 과정으로 대역폭의 잡음을 다음의 식으로 구한다. (3.2) N = ktb k = 볼츠만 상수 ( ) T = 절대온도 B = 시스템 대역폭

37 전파손실 ( L fs ) = 20 log(4πd / λ)

38 P tx = Prx Gtx Grx + L fs + fade margin (2.5mW/MHz) 16dBm (12.5mW/MHz) 23dBm

39 p_in P_1Tone A_PORT1 Num=1 Z=50 Ohm P=dbmtow(p_in) Freq=RF_freq BPF_Chebyshev B_du+sw1 Fcenter=5250 MHz BWpass=20 MHz Ripple=1 db BWstop=40 MHz Astop=40 db IL=3.2 db B C D E vout Amplifier C_AMP1 S21=dbpolar(19,0) S11=dbpolar(-20,0) S22=dbpolar(-20,0) S12=dbpolar(-20,0) BPF_Chebyshev D_BPF2 Fcenter=RF_freq BWpass=20 MHz Ripple=0.05 db BWstop=40 MHz Astop=40 db IL=2.2 db Mixer E_MIX2 BPF_Chebyshev SideBand= F_BPF1 ConvGain=dbpolar(3,0) Fcenter=789 MHz S11=dbpolar(-20,0) BWpass=20 MHz S22=dbpolar(-20,0) Ripple=0.7 db S33=dbpolar(-20,0) BWstop=1000 MHz NF=5 db Astop=50 db MaxRej=50 db IL=7 db OSCwPhNoise OSC1 Freq=LO_freq P=dbmtow(-2) Rout=50 Ohm PhaseNoise=list(100kHz,-100dB) Term H_Term2 Num=2 Z=50 Ohm

40 - 29 -

41 p_in B C D vout P_1Tone A_PORT1 Num=1 Z=50 Ohm P=dbmtow(p_in) Freq=IF_freq Mixer B_MIX3 SideBand= ConvGain=dbpolar(3,0) S11=dbpolar(-20,0) S22=dbpolar(-20,0) S33=dbpolar(-20,0) NF=12 db OSCwPhNoise OSC1 Freq=LO_freq P=dbmtow(0) Rout=50 Ohm PhaseNoise=list(100kHz,-100dB) BPF_Chebyshev C_BPF1 Fcenter=5250 MHz BWpass=200 MHz Ripple=0.7 db BWstop=600 MHz Astop=40 db MaxRej=50 db IL=2.8 db Amplifier D_pAMP1 S21=dbpolar(11.5,0) S11=dbpolar(-20,0) S22=dbpolar(-20,0) S12=dbpolar(-30,0) Amplifier E_pAMP2 S21=dbpolar(18.0,0) S11=dbpolar(-25,0) S22=dbpolar(-25,0) S12=dbpolar(-30,0) Term F_Term2 Num=2 Z=50 Ohm

42 - 31 -

43 - 32 -

44 Tx_in P_1Tone BPF_Chebyshev A_PORT1 F_BPF2 Num=1 Fcenter=789 MHz Z=50 Ohm BWpass=20 MHz P=dbmtow(p_in) Ripple=0.7 db Freq=IF_freq BWstop=1000 MHz Astop=40 db MaxRej=50 db IL=5 db Mixer C_MIX3 BPF_Chebyshev Amplifier Amplifier SideBand=LOWER D_BPF1 E_pAMP2 F_pAMP3 ConvGain=dbpolar(3,0) Fcenter=5250 MHz S21=dbpolar(11.5,0) S21=dbpolar(18,0) S11=dbpolar(-20,0) BWpass=200 MHz S11=dbpolar(-25,0) S11=dbpolar(-25,0) S22=dbpolar(-20,0) Ripple=0.7 db BWstop=600 MHz S22=dbpolar(-25,0) S22=dbpolar(-25,0) S33=dbpolar(-20,0) Astop=100 db S12=dbpolar(-30,0) S12=dbpolar(-30,0) NF=12 db MaxRej=50 db TOI=20 TOI=39 OSCwPhNoise IL=2.8 db OSC1 Freq=LO_freq P=dbmtow(0) Rout=50 Ohm PhaseNoise=list(100kHz,-100dB) Tx_out LOS_Link LINK1 CenterFreq=5.25 GHz BW=200 MHz TxGain=6 db TxVSWR=1 RxGain=0 db RxVSWR=1 RxNoiseTemp=150 PathLength=50 meter Rx_in Rx_out Term G_Term2 Num=2 Z=50 Ohm BPF_Chebyshev F_BPF1 Fcenter=789 MHz BWpass=20 MHz Ripple=0.7 db BWstop=1000 MHz Astop=40 db MaxRej=50 db IL=7 db Mixer E_MIX2 SideBand=LOWER ConvGain=dbpolar(3,0) S11=dbpolar(-20,0) S22=dbpolar(-20,0) S33=dbpolar(-20,0) NF=12 db OSCwPhNoise OSC2 Freq=LO_freq P=dbmtow(-10) Rout=50 Ohm PhaseNoise=list(100kHz,-100dB) BPF_Chebyshev D_BPF2 Fcenter=RF_freq BWpass=20 MHz Ripple=0.05 db BWstop=40 MHz Astop=40 db IL=2.2 db Amplifier C_AMP1 S21=dbpolar(19,0) S11=dbpolar(-20,0) S22=dbpolar(-20,0) S12=dbpolar(-30,0) BPF_Chebyshev B_du+sw1 Fcenter=5250 MHz BWpass=20 MHz Ripple=1 db BWstop=40 MHz Astop=40 db IL=3.2 db

45 - 34 -

46 p_in P_1Tone A_PORT1 Num=1 Z=50 Ohm P=dbmtow(p_in) Freq=RF_freq B C D E F G H out Mixer BPF_Chebyshev BPF_Chebyshev Mixer BPF_Chebyshev H_MIX LPF_Chebyshev Amplifier Amplifier B_du+sw D_BPF E_MIX F_BPF SideBand=BOTH I_LPF C_AMP G_AGC Fcenter=5250 MHz Fcenter=RF_freq SideBand=LOWER Fcenter=789 MHz Fpass=20 MHz S21=dbpolar(19,0) S21=dbpolar(70,0) ConvGain=dbpolar(0,0) BWpass=20 MHz BWpass=20 MHz ConvGain=dbpolar(3,0) BWpass=20 MHz Ripple=0.7 db S11=dbpolar(-20,0) Ripple=1 db S11=dbpolar(-20,0) Ripple=0.05 db S11=dbpolar(-20,0) Ripple=0.7 db S11=dbpolar(-25,0) Fstop=60 GHz S22=dbpolar(-20,0) S22=dbpolar(-20,0) BWstop=40 MHz BWstop=40 MHz S22=dbpolar(-20,0) BWstop=60 MHz S22=dbpolar(-25,0) Astop=40 db S12=dbpolar(-20,0) S33=dbpolar(-20,0) Astop=40 db Astop=40 db S33=dbpolar(-20,0) Astop=40 db S12=dbpolar(-30,0) NF=1.3 db NF=5.8 db NF=12 db IL=3.2 db IL=2.2 db NF=12 db IL=5 db Term J_Term2 Num=2 Z=50 Ohm OSCwPhNoise OSC1 Freq=LO_freq_01 P=dbmtow(0) PhaseNoise=list( kHz, dB) OSCwPhNoise OSC2 Freq=LO_freq_02 P=dbmtow(0) PhaseNoise=list( kHz, dB)

47 Component Gain[dB] NF[dB] IIP[dBm] duplxer +s/w LNA RF filter Mixer IF filter AGC Demod

48 - 37 -

49 Symbol Parameter Range Unit RF RF 주파수신호 5250 MHz LO LO 주파수신호 4461 MHz IF IF 주파수신호 789 MHz LNA_G LNA의이득 19 이상 db LNA_NF LNA의잡음지수 1.4 이하 db LNA_IIP3 LNA의입력 IP3-10 이상 dbm Mix_G 혼합기의변환이득 3 이상 db Mix_NF 혼합기의잡음지수 12 이하 db Mix_P1dB 혼합기의 1dB 압축점 0 이상 dbm

50 제 4 장회로설계

51 gate finger 2 개 2f100 (2x50 total gate width 100 unit gate width 50 gate length

52 gate finger 4 개 4f100 (4x50 total gate width 200 unit gate width 50 gate length 0.25 gate finger 8 개 8f100 (8x50 total gate width 400 unit gate width 50 gate length

53 - 42 -

54 input _ port output _ port a 1 ( x ) b 1 ( x) a 1 ( l 1 ) b 1 ( l 1 ) 2-port network a 2 ( l 2 ) b 2 ( l 2 ) a ( x 2 ) b 2 ( x) port 1 port 2 X 1 = l 1 X = l

55 b 1 (l 1 )=S 11 a 1 (l 1 )+S 12 a 2 (l 2 ) b 2 (l 2 )=S 21 a 1 (l 1 )+S 22 a 2 (l 2 ) b 1 (l 1 ) b 2 (l 2 ) = S 11 S 12 a 1 (l 1 ) S 21 S 22 a 2 (l 2 ) S 11 = b 1 (l 1 ) a 1 (l 1 ) a1 (l 2 )=0 S 21 = b 2 (l 2 ) a 1 (l 1 ) a2 (l 2 )=0 S 22 = b 2 (l 2 ) a 2 (l 2 ) a1 (l 1 )=0 S 12 = b 1 (l 1 ) a 2 (l 2 ) a1 (l 1 )=0-44 -

56 ZS Zin Zout ZL 50Ω VS Input Matching network Output Matching network 50Ω ΓS Γin Γout ΓL [ Z ], Re[ ] 0 Re > in Z out

57 PL 부하로전달된전력 GT = = P 소스로부터의유효전력 AVS G P = P P L IN 부하로전달된전력 = 네트워크로입력된전력 G A = P P AVN AVS 네트워크로부터의유효전력 = 소스로부터의유효전력 G T = P P L AVS = 1 Γ 1 Γ IN 2 S 2 Γ S S Γ 1 S 22 2 L 2 Γ L = 1 1 S 2 ΓS 2 11ΓS S Γ 2 ΓL 2 OUTΓL G T = P P L IN 1 = 1 Γ IN 2 S Γ 1 S 2 L 2 22ΓL G T = P P AVN AVS = 1 1 S 2 ΓS 2 11ΓS S Γ OUT

58 MSG = S S ( K 1) S MSG = K S 21 Shunt C Series L Shunt L Series C

59 V_DC V_DD Vdc=3.0 V R R_D1 R R_D2 I_Probe ID1 DC_Feed RFC_D1 I_Probe ID2 DC_Feed RFC_D2 Output Output VD1 VG2 hemt2f Input I_Probe VG1 hemt2f m1 C C_inter I_Probe IG2 m2 VS2 IG1 VS1 DC_Feed RFC_S1 I_Probe IS1 DC_Feed RFC_S2 I_Probe IS2 R R_S1 L I30_01 R R_S2 V_DC V_SS Vdc=-1 V

60 - 49 -

61 - 50 -

62 - 51 -

63 - 52 -

64 - 53 -

65 Gain[dB] NF[dB] IIP[dBm] Power consum.[mw] 목표치 19이상 1.4이하 -10이상 35이하 결과치

66 Down conversion Up conversion f RF f IF f IF f RF f LO f LO

67 Amplitude ω dc RF ω LO 2 ω 2 RF ω LO 2ω ω LO ω RF LO ω RF 2ω RF ω LO ω + RF ω LO 2ω LO 2ω RF Frequency

68 - 57 -

69 g g m1 ds1 ( t) = G ( t) = G m0 d 0 + G + G m1 d1 cos( ω t + φ ) + G p m1 cos( ω t + φ ) + G p d1 m2 d 2 cos(2ω t + φ cos(2ω t + φ p p m2 d 2 ) + ) + I IF ( + 1 t) = gm 1( t) vg1( t) gds ( t) vd ( t) ( G V ( ω ) + G V ( ω )) G V ( ) 1 I IF ω ) = m1 g1 1 d1 d ( 0 d 0 d1 ω0 Vd1 Gm 1V g / Gd

70 I IFd ( V ( ω s ω 0) G = m1 1) 4ω1C gs1rin1 I L ( ω0) V ( ω ) s 1 4ω C 1 gs1 R G G in1 m1 d 0 g + g m2 m2 2 Cgs2ω gm 0.5 4Re{ Zs ( ω1)} G c = Re{ Y ( ω )} L 0 I L( ω0) V ( ω ) s

71 1dB Compression Point Output Power (dbm) 1 db Input P 1dB Input Power (dbm)

72 V_DC SRC3 V_DC V_RF DC_Feed RF_choke3 RF_input R R_RF DC_Feed RF_choke1 IF_output hemt2f RF_input m2 Wtot=100 um VS2 N=2 I_P robe I_D VD1 R R_IF IF_output LO_input R R_LO hemt2f LO_input m1 Wtot=100 um DC_Feed N=2 RF_choke2 V_DC V_LO

73 - 62 -

74 V_DC VDD Port P1 Num=1 VRFin L I10_80_41 R R_RF C C_RF V_DC VS_RF DC_Feed RFC_RF VG2 VD2 hemt2f m2 VS2 I_Probe I_DS VD1 DC_Feed RFC_D L I10_70_6 R R_IF C C_IF Vload Port P2 Num=2 Port P3 Num=3 VLOin L I50_38 C C_LO DC_Feed RFC_LO hemt2f m1 R R_LO V_DC VS_LO

75 - 64 -

76 - 65 -

77 Gain[dB] NF[dB] IIP[dBm] Power consum.[mw] 목표치 3 이상 12 이하 0 이상 18 이하 결과치 이상

78 Ref. 타입소자 RF 주파수 [GHz] 이득 [db] 잡음 [db] IIP3 [dbm] LO power [dbm] 본논문 cascode phemt 연구a [20] DBM MESFET 연구b [25] Resistive MESFET 연구c [26] cascode MESFET 연구d [27] cascode MESFET 연구e [28] DBM phemt

79 심벌 파라미터 범위최소일반최대 단위 RF RF 주파수 MHz LO LO 주파수 4461 MHz IF IF 주파수 789 MHz G_LNA LNA의이득 db NF_LNA LNA의 NF db IIP3_LNA 입력 IP3-5.5 dbm V_MIX 혼합기전원 3 V Pin_LO 발진기출력 dbm G_MIX 혼합기의변환이득 db NF_MIX 혼합기의 NF db LO_RF LO_RF 격리도 dbc LO_IF LO_IF 격리도 dbc P 1dB_MIX 1dB 압축점 5 dbm

80 제 5 장결론,. 설계결과로는

81 - 70 -

82 - 71 -

83 - 72 -

84 우선 29년동안갖은고생을다하시며오늘의제가있도록보살펴주신부모님과동생재희에게 2년동안의작은결실인이논문을바칩니다. 무엇보다지난 2년동안항상기본을강조하시고학생으로의본분과역할에대해가르쳐주시며바람막이가되어주신박효달교수님께깊은감사를드립니다. 항상많은관심과배려그리고아낌없는질책과성원이있었기에이렇게졸업을할수있었으며또한취직도할수있지않았나싶습니다. 그리고바쁘신와중에도꼼꼼히논문을지도하여주신김흥수교수님과정재호교수님께도진심으로감사드립니다. 그리고그외전자과교수님들에게도감사드립니다. 지난 2년동안전공에대해서즐겁게공부를했을뿐만아니라연구실생활을통하여인생에있어서가장중요한대인관계에대하여많은것을배울수있었습니다. 앞으로사회에나아가서도이러한소중한기억과경험들을토대로좀더발전하여큰결실을맺도록노력하겠습니다. 다니던직장을그만두고대학원에입학한기억이아직도생생한데벌써졸업을앞두고있습니다. 막상졸업을하려니머릿속에떠오르는사람이참많군요. 우선우리연구실의대들보이신석엽이형과용중이형, 그리고새로운바람을일으키시고계신민호형. 앞으로뜻하시는대로다이루시길빌며건강하시길바랍니다. 그리고같이고생한나의동기들 ( 원호, 원종, 욱기, 용태씨 ). 졸업하는사람은뜻을이루길빌며진학하는욱기랑원종이는훌륭한연구업적을남기길. 그리고얼마안남은재성이와후배들 ( 경호, 유석, 종화씨, 태식 ) 도박사형들과함께잘되길빈다. 그리고힘이되어주고같이즐겁게축구하던다치논리연구실의형님들 ( 성일이형, 기수형, 병희형 ), 친구경제, 후배민성이, 형석에게도감사하다는말씀을전하고싶습니다. 그리고 DSP연구실의도형이형, 유진이형, 지운이형, 병학이, 승진이에게도고맙다고전하고싶습니다. 그리고머나먼호주에서부터항상옆에서함께해준진기 ( 임용고시합격축하해^^), 94년부터나를정말잘이해해주며함께하지못해도있다는것만으로즐겁게해주는용규, 장환, 승훈, 영필이형, 14기후배들등 CRC 친구들. 모두들뜻을이루고건강하길... 마지막으로못난아들을믿고말없이자신을희생하신아버님, 어머님께다시한번감사드리며사랑한다고전하고싶습니다. 못난형을따라준동생재희에게도 년 1월 5일송재인

(2002).hwp

(2002).hwp 工學碩士學位論文 광대역육각형평판모노폴안테나 A Wideband Hexagonal Plate Monopole Antenna 忠北大學校大學院電波工學科電波通信工學專攻李相吉 2006 年 2 月工學碩士學位論文 광대역육각형평판모노폴안테나 A Wideband Hexagonal Plate Monopole Antenna 指導敎授安炳哲電波工學科電波通信工學專攻李相吉