충돌 방지 레이더, 자동차 전장, 철도 운송 등의 분야에서 밀리미터파 기술이 광범위하게 적용됨에 따라 W 대역(75~110GHz)은 높은 대역폭, 고해상도, 통합 용이성으로 인해 단거리 레이더 시스템에 이상적인 주파수 대역으로 점차 자리잡고 있습니다. 트랜시버 구성 요소의 핵심인 RF 칩의 성능은 전체 레이더 시스템의 감지 기능과 신뢰성을 직접적으로 결정합니다. 이 기사에서는 W-밴드 SOC RF 칩을 기반으로 한 T/R 구성 요소 시스템의 설계에 중점을 두고 칩 선택, 시스템 아키텍처 설계부터 주요 RF 상호 연결 구조의 시뮬레이션 및 구현까지 포괄적인 논의를 제공합니다.

1. W-Band RF 칩 개발 및 시스템 통합의 이점

최근 몇 년 동안 국내외 시장 모두 다채널, 고집적 W-밴드 RF 칩 개발에 상당한 진전을 이루었습니다. 예를 들어, 가틀란 마이크로일렉트로닉스는 고밀도 통합으로 “송신기 2개, 수신기 4개'를 실현하는 77GHz CMOS RF 칩을 출시하여 차량 레이더 시스템의 소형화 및 비용 절감을 크게 촉진했습니다. 이 RF 칩은 저잡음 증폭기, 전력 증폭기, 믹서, 위상 고정 루프 및 위상 시프터와 같은 주요 모듈을 통합하여 높은 이득, 저잡음 및 빠른 스위칭 기능을 제공하여 T/R 부품의 시스템 수준 패키징을 위한 견고한 기반을 마련합니다.

개별 구성 요소로 구축된 기존 시스템에 비해 SOC RF 칩을 사용하면 시스템 크기가 크게 줄어들 뿐만 아니라 시스템 복잡성과 전력 소비도 감소하여 전반적인 안정성과 생산 효율성이 향상됩니다.

2. T/R 컴포넌트 시스템 아키텍처 및 RF 링크 설계

이 백서에서 설계된 T/R 구성 요소는 “2T4R” 아키텍처를 채택하고 75~80GHz 주파수 범위에서 작동하며 FMCW 변조 기능을 갖추고 있습니다. 이 시스템은 완벽한 트랜시버 기능을 달성하기 위해 다층 PCB, 도파관 인터페이스, 전력 관리 및 제어 회로를 포함한 주변 구성 요소와 함께 고집적 SOC RF 칩을 핵심으로 사용합니다.

수신기 체인에서 안테나가 수신한 약한 신호는 도파관 마이크로 스트립 프로브 구조를 통해 입력되고 저잡음 증폭기로 증폭된 후 로컬 발진기 신호와 혼합되어 기저 대역으로 다운 컨버팅됩니다. 필터링과 이득 제어를 거친 후 신호가 출력됩니다. 전송 체인은 이 과정을 역으로 진행하여 베이스밴드 신호를 더 높은 주파수로 변환하고 안테나를 통해 방사하기 전에 증폭합니다. 전체 체인의 잡음 지수, 이득, 선형성 등의 주요 파라미터는 시스템 시뮬레이션을 통해 검증 및 최적화됩니다.

3. 주요 RF 상호 연결 구조의 설계 및 시뮬레이션

이 백서에서는 다층 PCB 내에서 고주파 신호를 효율적으로 전송하기 위해 세 가지 유형의 RF 상호 연결 구조 설계에 중점을 둡니다:

도파관-마이크로스트립 프로브 전환: W 대역의 고주파 손실 문제를 해결하기 위해 PCB 내에 단락 표면이 통합된 미세한 바늘 모양의 전자기 결합 프로브 구조가 제안되었습니다. 시뮬레이션 결과 72.3-82.5GHz 범위의 삽입 손실은 0.2dB 미만이며 -20dB 이상의 우수한 반사 손실로 우수한 광대역 특성과 제조 허용 오차를 보여주었습니다.

수직 전환 구조: 고주파에서 전자기 누설과 모드 왜곡을 효과적으로 억제하기 위해 “GCPW-동축-GCPW” 수직 상호 연결 방식이 채택되었습니다. 이 구조는 100GHz 미만의 전체 통과 대역에 걸쳐 -16dB 이상의 반사 손실을 유지하며, 40GHz에서 삽입 손실이 0.42dB에 불과하여 고밀도 시스템 통합에 적합합니다.

BGA에서 마이크로 스트립으로의 전이 구조: RF 칩 BGA 패키징의 경우, 솔더 볼에 의해 도입된 기생 커패시턴스에 성공적으로 대응하는 매칭 회로를 갖춘 GCPW-마이크로 스트립 라인 구조가 설계되었습니다. 72-106GHz 범위에서 반사 손실은 -15dB보다 우수하며, 목표 주파수 범위는 -20dB 미만이고 삽입 손실은 0.4dB입니다.

4. 시스템 시뮬레이션 및 성능 검증

전체 트랜시버 링크의 시스템 수준 시뮬레이션은 ADS 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다. 수신 채널은 75-80GHz 대역 내에서 11.324dB의 잡음 수치와 57.602dB의 이득을 보여 순수한 베이스밴드 출력 신호를 보장했습니다. 전송 채널은 24.602dB의 이득을 달성했으며 출력 전력은 5dBm을 초과하여 시스템 요구 사항을 충족했습니다. 시뮬레이션 결과는 고주파 시스템에서 설계된 RF 칩과 그 상호 연결 구조의 타당성과 우수성을 확인했습니다.

5. 요약 및 전망

이 기사에서는 W-밴드 SOC RF 칩을 기반으로 고성능의 소형화된 T/R 컴포넌트 시스템을 성공적으로 설계하고 시뮬레이션합니다. 이 시스템은 도파관 프로브, 수직 전이 및 BGA 상호 연결과 같은 주요 구조를 최적화하여 저손실, 넓은 대역폭 및 고집적도를 달성합니다. 향후 RF 칩 공정이 더욱 성숙해지고 패키징 기술이 지속적으로 혁신됨에 따라 W 대역 T/R 부품은 자율주행, 지능형 교통, 드론 내비게이션과 같은 분야에서 더욱 중요한 역할을 할 것입니다.