본 논문은 단거리 고속 IoT 기기를 위한 이득 등화 및 수신 신호 강도 지시기(Received Signal Strength Indicator, RSSI)를 갖는 저전력 60-GHz 온-오프 키잉(On-Off Keying, OOK) 복조기를 제안한다. 제안된 복조기는 대역폭 열화(bandwidth degradation)에 보상하고 신호 수신을 개선하기 위한 이득 등화를 포함하여 60-GHz 밀리미터파 대역에서 효율적인 데이터 전송을 가능하게 한다. 또한 내장된 RSSI 기능은 수신 신호 강도를 실시간으로 모니터링하여 빔포밍 및 트랜시버 이득 제어에 도움으로써 안정적인 통신을 유지한다. 설계된 복조기는 65-nm CMOS 공정에서 전력 소모 34.7 mW만으로 피크 이득 23.6 dB 및 3-dB 대역폭 5.6 GHz를 달성한다. 측정 결과는 데이터 전송률 최대 8 Gbps에서 향상된 비트 오류율(bit-error-rate, BER) 성능 및 아이(eye) 다이어그램의 개방도 향상을 보여, 제안된 설계의 유효성을 입증한다.

본 연구는 통합 위상배열(phase arrays)을 위한 이중 편파 동적 정렬(dual polarization dynamic alignment, DPDA) 기법의 개념을 제안한다. 제안된 기법은 송신 및 수신 안테나 간 정렬 조건과 무관하게 수신 이중 편파(DP) 안테나에서 두 개의 편파 신호를 정렬할 수 있도록 하면서, 교차편파 누설(cross-polarization leakage, XPL)을 효과적으로 완화한다. 제안된 기법을 검증하기 위해 65-nm CMOS 공정을 사용하여 수신 위상배열 IC를 제작하였으며, $+2$H 구성의 2V $+2$ H 구성의 수신 위상배열 IC를 제작하고, 이를 2-요소 이중 편파 안테나와 통합하여 시제품 안테나-인-패키지(antenna-in-package, AiP)를 제작하였다. 실험 결과에 따르면, 제안된 기법을 적용한 시제품 AiP는 58.2 GHz 중심주파수에서 2 GHz 대역폭 내 교차편파 격리도(cross-polarization isolation, XPI)가 20–32 dB에 도달하며, 송신 및 수신 안테나가 최대 90°까지 어긋나더라도 이를 달성한다. 저자들이 아는 한, 본 연구는 60 GHz 비면허 대역에서 송신 및 수신 안테나가 최대 90°까지 어긋난 조건에서도 DP 신호를 이용해 XPI를 향상시키는 최초의 연구이다.

본 연구에서는 5G 인터넷 사물(Internet of Things) 애플리케이션을 위해, 전력 소모 없이 저손실 및 위상이 불균등한 위상배열 아키텍처를 구현하는 단계 저감 스위치드 타입 위상천이기(stage-reduced switched type phase shifter, STPS) 기반 구조를 제시한다. 채널 간 위상차가 (eta ) 인 경우, eta leq –90° 및 eta geq 90^{\circ } 범위는 안테나의 사이드로브가 증가하고, 위상천이기 유닛이 각 채널에 대해 불균등하게 설계되어 – $90^{\circ }\le \beta \le 90^{\circ }$ 범위(사이드로브가 작은 영역)만을 사용하기 때문에 실제로는 거의 활용되지 않는다. 실제로는, 이러한 단계 저감 STPS 구조를 $n$ -단 $1\times 4$ 빔포밍 아키텍처에 적용할 수 있도록 일반화한다. 예로서, 28-GHz 5G n257 대역을 위한 0.15- $\mu \text{m}$ GaAs pHEMT에서, 22.5° 분해능을 갖는 4비트 전통적 위상천이기를 3비트만으로 구현한다. 기존 구조와 비교하여, 0°/180° 단(stage)을 제거함으로써 삽입 손실이 개선되는데, 이는 기존 4단 중에서 삽입 손실이 가장 큰 단이 제거되기 때문이다. 단계 저감 STPS의 측정된 평균 삽입 손실은 채널 1과 4에서는 –4.3 dB, 채널 2와 3에서는 –3.2 dB이다. 제안된 위상배열의 사이드로브는, 가장자리 쪽에 위치한 채널 1과 4의 삽입 손실이 채널 2와 3보다 1.1 dB 높기 때문에, 전통적 위상배열 아키텍처 대비 최대 1.6 dB까지 개선된다. 제안된 단계 저감 STPS는 전력 소모 없이도 –1 dB보다 낮은 우수성 지표(figure of merit)를 나타낸다. 우리의 지식에 따르면, 이 STPS는 유사한 주파수에서 발표된 GaAs/CMOS STPS 가운데 삽입 손실이 가장 낮다.

본 연구는 분절된 전기 쌍극자 팔을 갖는 저프로파일 광대역 밀리미터파 자성-전기(ME) 쌍극자 안테나를 제안한다. 안테나가 저프로파일 구조를 갖고 있음에도 불구하고, 제안된 안테나 요소의 S11 대역폭은 보타이(bowtie) 형상의 전기 쌍극자를 분절함으로써 25 GHz 주파수에서의 추가 공진 지점에 의해 확장된다. 분절된 보타이의 치수를 조절함으로써 제안된 안테나는 저주파 대역으로의 S11 대역폭 및 3-dB 이득 대역폭을 확장한다. 제안된 $4\times 4$ 안테나 배열은 25.5~39 GHz 범위를 커버하는 41.8%의 S11 대역폭, 25.5~38 GHz 범위를 커버하는 39.3%의 3 dB 이득 대역폭, 그리고 17.5 dBi의 피크 이득을 달성한다. 교차편파 및 부엽 수준(SLL)은 각각 동작 주파수 내에서 −32 dB 및 −13 dB 이하이다.

본 논문은 단거리 고속 IoT 기기를 위한 이득 등화 및 수신 신호 강도 지시기(Received Signal Strength Indicator, RSSI)를 갖는 저전력 60-GHz 온-오프 키잉(On-Off Keying, OOK) 복조기를 제안한다. 제안된 복조기는 대역폭 열화(bandwidth degradation)에 보상하고 신호 수신을 개선하기 위한 이득 등화를 포함하여 60-GHz 밀리미터파 대역에서 효율적인 데이터 전송을 가능하게 한다. 또한 내장된 RSSI 기능은 수신 신호 강도를 실시간으로 모니터링하여 빔포밍 및 트랜시버 이득 제어에 도움으로써 안정적인 통신을 유지한다. 설계된 복조기는 65-nm CMOS 공정에서 전력 소모 34.7 mW만으로 피크 이득 23.6 dB 및 3-dB 대역폭 5.6 GHz를 달성한다. 측정 결과는 데이터 전송률 최대 8 Gbps에서 향상된 비트 오류율(bit-error-rate, BER) 성능 및 아이(eye) 다이어그램의 개방도 향상을 보여, 제안된 설계의 유효성을 입증한다.

본 연구는 통합 위상배열(phase arrays)을 위한 이중 편파 동적 정렬(dual polarization dynamic alignment, DPDA) 기법의 개념을 제안한다. 제안된 기법은 송신 및 수신 안테나 간 정렬 조건과 무관하게 수신 이중 편파(DP) 안테나에서 두 개의 편파 신호를 정렬할 수 있도록 하면서, 교차편파 누설(cross-polarization leakage, XPL)을 효과적으로 완화한다. 제안된 기법을 검증하기 위해 65-nm CMOS 공정을 사용하여 수신 위상배열 IC를 제작하였으며, $+2$H 구성의 2V $+2$ H 구성의 수신 위상배열 IC를 제작하고, 이를 2-요소 이중 편파 안테나와 통합하여 시제품 안테나-인-패키지(antenna-in-package, AiP)를 제작하였다. 실험 결과에 따르면, 제안된 기법을 적용한 시제품 AiP는 58.2 GHz 중심주파수에서 2 GHz 대역폭 내 교차편파 격리도(cross-polarization isolation, XPI)가 20–32 dB에 도달하며, 송신 및 수신 안테나가 최대 90°까지 어긋나더라도 이를 달성한다. 저자들이 아는 한, 본 연구는 60 GHz 비면허 대역에서 송신 및 수신 안테나가 최대 90°까지 어긋난 조건에서도 DP 신호를 이용해 XPI를 향상시키는 최초의 연구이다.

본 연구에서는 5G 인터넷 사물(Internet of Things) 애플리케이션을 위해, 전력 소모 없이 저손실 및 위상이 불균등한 위상배열 아키텍처를 구현하는 단계 저감 스위치드 타입 위상천이기(stage-reduced switched type phase shifter, STPS) 기반 구조를 제시한다. 채널 간 위상차가 (eta ) 인 경우, eta leq –90° 및 eta geq 90^{\circ } 범위는 안테나의 사이드로브가 증가하고, 위상천이기 유닛이 각 채널에 대해 불균등하게 설계되어 – $90^{\circ }\le \beta \le 90^{\circ }$ 범위(사이드로브가 작은 영역)만을 사용하기 때문에 실제로는 거의 활용되지 않는다. 실제로는, 이러한 단계 저감 STPS 구조를 $n$ -단 $1\times 4$ 빔포밍 아키텍처에 적용할 수 있도록 일반화한다. 예로서, 28-GHz 5G n257 대역을 위한 0.15- $\mu \text{m}$ GaAs pHEMT에서, 22.5° 분해능을 갖는 4비트 전통적 위상천이기를 3비트만으로 구현한다. 기존 구조와 비교하여, 0°/180° 단(stage)을 제거함으로써 삽입 손실이 개선되는데, 이는 기존 4단 중에서 삽입 손실이 가장 큰 단이 제거되기 때문이다. 단계 저감 STPS의 측정된 평균 삽입 손실은 채널 1과 4에서는 –4.3 dB, 채널 2와 3에서는 –3.2 dB이다. 제안된 위상배열의 사이드로브는, 가장자리 쪽에 위치한 채널 1과 4의 삽입 손실이 채널 2와 3보다 1.1 dB 높기 때문에, 전통적 위상배열 아키텍처 대비 최대 1.6 dB까지 개선된다. 제안된 단계 저감 STPS는 전력 소모 없이도 –1 dB보다 낮은 우수성 지표(figure of merit)를 나타낸다. 우리의 지식에 따르면, 이 STPS는 유사한 주파수에서 발표된 GaAs/CMOS STPS 가운데 삽입 손실이 가장 낮다.

본 연구는 분절된 전기 쌍극자 팔을 갖는 저프로파일 광대역 밀리미터파 자성-전기(ME) 쌍극자 안테나를 제안한다. 안테나가 저프로파일 구조를 갖고 있음에도 불구하고, 제안된 안테나 요소의 S11 대역폭은 보타이(bowtie) 형상의 전기 쌍극자를 분절함으로써 25 GHz 주파수에서의 추가 공진 지점에 의해 확장된다. 분절된 보타이의 치수를 조절함으로써 제안된 안테나는 저주파 대역으로의 S11 대역폭 및 3-dB 이득 대역폭을 확장한다. 제안된 $4\times 4$ 안테나 배열은 25.5~39 GHz 범위를 커버하는 41.8%의 S11 대역폭, 25.5~38 GHz 범위를 커버하는 39.3%의 3 dB 이득 대역폭, 그리고 17.5 dBi의 피크 이득을 달성한다. 교차편파 및 부엽 수준(SLL)은 각각 동작 주파수 내에서 −32 dB 및 −13 dB 이하이다.

본 연구에서는 57–71 GHz 범위를 커버하는 L-프로브 E-형 패치를 갖는 밀리미터파 안테나 인 패키지(AiP)를 제안한다. E-형 및 L-프로브 패치의 특성을 결합하여, $2\times 2$ 및 $4\times 4$ 배열 AiP를 57–71 GHz를 커버하는 새로운 안테나 소자에 기반하여 설계하였다. $2\times$ 2 배열을 제1사분면에 배치한다고 가정하면, $4\times$ 4 배열은 각각 제2, 제3 및 제4사분면에서 2 배열을 미러링하여 구성되므로, 안테나 소자는 제1사분면 밖에 위치하면 안 된다. 제안된 AiP는 57–71 GHz 주파수 대역에서, 안테나 소자에 대해 3.2 dB의 변동을 갖는 6.9 dBi 피크 측정 이득을 보였다. 또한 제안된 안테나는 주어진 대역에서 최소 −8.3 dB의 임피던스 정합 특성을 나타낸다. 제작된 $2\times$ 2 AiP는 본드 와이어를 통해 4개 소자 포지드 어레이 송신 빔포밍 빔포머 IC에 연결되었으며, 빔포밍 특성을 검증하였다.

60-GHz 무허가 대역을 위한 샌드위치 급전 구조를 갖는 광대역 밀리미터파 고격리 이중편파 자성-전기(ME) 다이폴 안테나를 제안한다. ME 다이폴 안테나는 두 개의 직교하는 급전부 사이에 배치되어 가상 접지(virtual ground)를 형성하며, 이는 전류 결합을 억제하고 포트 격리를 크게 향상시킨다. 제안한 안테나의 격리 성능은 두 가지 서로 다른 기준 구조와의 비교를 통해 분석하였고, 매개변수 연구를 통해 최적화하였다. S-파라미터는 벡터 네트워크 분석기(VNA)에 연결된 GSG 프로브를 사용하여 평가하였다. 제작된 4×4 배열 안테나의 크기는 11 mm × 11.5 mm × 0.54 mm (2.2 λ0 × 2.3 λ0 × 0.11 λ0)이다. 제안한 ME 다이폴 안테나의 측정된 포트 격리(S21)는 −30.6 dB보다 우수하였으며, 대역폭 27.8%(52.9–70 GHz)와 피크 이득 16.78 dBi를 달성하였다. 또한 측정 및 시뮬레이션된 S11은 < −10 dB였고, 50.3–70 GHz를 포괄하는 32.7%의 대역폭을 보였다.

광대역 엔드파이어 밀리미터파(mmWave) 비대칭 보우타이( bowtie ) 자화-전기(megneto-electric, ME) 다이폴 안테나를 제안하여 방사 패턴의 균일성을 향상시키고, 보어사이트 및 오프-보어사이트 이득 변동을 모두 최소화하고자 한다. 45 GHz에서 대칭 보우타이 ME 다이폴 안테나는 왜곡된 방사 패턴과 좁은 방사각으로 인해 보어사이트 방향에서의 과도한 이득을 보인다. 이러한 제한을 극복하기 위해 제안된 안테나는 보우타이 암(arm) 각도를 감소시켜 E-필드(전기장) 집중을 완화한다. 그 결과 비대칭 보우타이는 보다 넓은 진행파(traveling-wave) 전파를 가능하게 하고, 보어사이트 방향에서의 과도한 이득 증가를 억제한다. 또한 안테나 이득은 보우타이 각도를 조정함으로써 35 GHz 이상에서 제어할 수 있으며, 저주파 대역에서 광대역과 낮은 보어사이트 이득 변동을 유지한다.

본 연구는 양자 컴퓨팅을 위한 Samsung 28 nm CMOS에서의 극저온 브로드밴드 3단 캐스코드 저잡음 증폭기(LNA)를 제시한다. 마이크로스트립 라인의 도전도는 4 K에서 특성화하였고, 평탄한 이득과 광대역 특성을 달성하기 위해 스태거드 튜닝을 적용하였다. 또한, 우회(bypass) 커패시터의 자기공진 주파수(SRF)를 대역의 저주파 및 고주파 경계에서 의도적으로 설정하여 광대역 안정성을 확보하였다. 4~8 GHz에서 동작하는 LNA는 6.9 GHz에서 39.1 dB의 이득을 가지며, 3-dB 대역폭은 6.8 GHz이고, 4 K에서 평균 0.45-dB의 잡음 지수(NF)를 달성한다. 이는 극저온 CMOS LNA 중 보고된 것 가운데 가장 넓은 3-dB 대역폭을 의미한다.