웨이퍼상 D-대역 회로의 3차 상호 변조 왜곡 측정

Ⅰ. 서 론

D-대역(110~170 GHz)은 사용 가능한 넓은 주파수 대역으로 무선통신의 요구 전송률이 증가함에 따라 6G 통신의 강력한 주파수 후보로 떠오르고 있다^[1].

높은 데이터 전송률을 위해서는 대역폭이 넓은 고차 변조 신호들의 사용이 요구된다. 고차 변조 신호들은 최대전력 대 평균전력 비(PAPR, peak-to-average power ratio)가 높으며, 해당 전력 구간에서 높은 선형성을 충족해야 통신 성능을 만족할 수 있다. 비선형성으로 인한 상호 변조 왜곡 성분 중 3차 항에 의해 주로 발생하는 IMD3(3^rd-order intermodulation distortion) 성분들은 여과기로 제거되기 쉽지 않고, 본 신호 및 다른 채널로의 잡음이 된다^[2]~[4].

이러한 IMD3 성분은 일반적인 2-tone 테스트로 측정이 가능하다. 2-tone 신호 발생이 가능한 상용 장비로는 Keysight사의 AWG M8199B(최대주파수 80 GHz), Tektronix 사의 AWG70001B(최대주파수 20 GHz), Rohde & Schwarz사의 SMW200A(최대주파수 67 GHz) 등이 있다. 하지만 D-대역은 상용 장비의 부재로 인한 별도 측정 셋업의 구성이 필수적이다. D-대역 전력증폭기와 관련된 대부분의 논문들에서는 IMD3 측정을 하지 않거나^[5]~[19], 저주파에서 생성된 2-tone 신호를 주파수 혼합기로 상향 변환하는 방식을 이용하거나^[20],[21], 저주파의 변조 신호를 주파수 혼합기로 상향 변환하여 EVM(error vector magnitude) 등의 다른 지표로 선형성을 평가한다^[22]~[24]. 그림 1은 D-대역 2-tone 신호 생성을 위해 가능한 셋업 방식이다. 그림 1(a)는 저주파의 2-tone 신호를 주파수 혼합기로 상향 변환하여 D-대역 신호를 생성하는 방식으로 앞서 발표된 논문들^[20]~[24]이 이에 해당한다. 이 방법은 저주파 신호 생성에 상용 장비를 사용할 수 있다는 장점이 있으나, 주파수 상향을 위한 혼합기에서 발생하는 IMD3 성분이 DUT(device under test)의 선형성 평가에 영향을 미칠 수 있는 단점이 있다. 본 논문에서는 그림 1(b)와 같이 2개의 D-대역 단일 주파수 신호를 각각 생성하여 방향성 결합기로 합성하는 방식을 사용하였는데, 측정시스템 자체에서 발생하는 IMD3 성분이 주파수 혼합기 사용 대비 낮은 장점이 있다.

그림 1. | Fig. 1. D-대역 2-tone 신호 생성 셋업 | Setup to generate D-band 2-tone signal.

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본 논문에서는 D-대역 증폭기의 웨이퍼상 IMD3 측정시스템의 구성 및 고려 사항에 대해 다루고, 제안한 셋업을 이용해 D-대역 전력증폭기 시제품 칩의 IMD3 성분을 측정하였다.

Ⅱ. D-대역 IMD3 측정시스템 구성

D-대역의 IMD3 측정을 위해서는 DUT 입력에 인가할 D-대역 2-tone 신호 발생부와 DUT 출력을 스펙트럼 측정이 가능한 낮은 주파수로 변환하는 하향 변환부가 필요하다. 각 구성 부에 대해 다음 절에 상세히 서술한다.

2-1 신호 발생부

그림 2는 D-대역 IMD3 측정을 위한 신호 발생부의 구성도이다. 두 개의 신호 발생 모듈에서 주파수가 다른 단일 주파수 신호를 먼저 생성한 후, 도파관 방향성 결합기를 이용해 결합하는 구조이다. 각각의 신호 발생 모듈은 주파수 가변이 가능한 D-대역 신호원으로 구성할 수 있으며, 본 논문에서는 VDI사의 D-대역 6-체배 송신기 모듈 WR6.5SGX-M과 12-체배 신호원 확장 모듈 WR6.5-VNAX를 사용했다. D-대역 6-체배 송신기 모듈의 국부 발진 신호원으로는 Keysight사의 신호 발생기 MXG N5183B를 사용하였고, 모듈의 사용자 설정 가변 감쇄 기능(UCA, user conrtol attenuator)을 사용하기 위해 Keysight사의 DC 전원 공급기 E36312A를 사용했다. D-대역 12-체배 신호원 확장 모듈의 국부 발진 신호원으로는 Keysight사의 회로망 분석기 PNA-X N5244B를 사용하였다. 그림 2의 모든 D-대역 구성 부품을 프로브 암(probe arm)에 장착하기 위해 90도 꼬인(twisted) 도파관을 사용했다. Two-tone 신호 각각의 전력은 WR6.5-VNAX에 내장된 가변 감쇠기와

그림 2. | Fig. 2. D-대역 IMD3 측정시스템 신호 발생부 구성도 | Configuration of signal generating part in D-band IMD3 measurement system.

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WR6.5SGX-M 출력단의 가변 감쇠기로 개별 설정이 가능하다. 또한, 각 신호원의 출력단 감쇠기는 상호간의 격리도를 증가시켜 측정시스템 자체의 IMD3 성분 발생을 최소화하는 역할도 한다. 위 셋업으로 가능한 2-tone의 전력 조절 범위는 −37.1~−11.2 dBm이며, 이는 다음절에 설명할 신호 하향 변환부를 통해 측정되었다.

2-2 하향 변환부

그림 3은 D-대역 IMD3 측정시스템의 하향 변환부 구성도로, DUT의 출력은 VDI사의 D-대역 수신기 모듈 WR6.5SAX를 통해 하향 변환하여 Rohde & Schwarz사의 스펙트럼 분석기를 통해 측정된다. D-대역 20 dB 감쇠기는 하향 변환부의 가장 앞단에 위치하여 하향 변환부 자체에서의 IMD3 발생을 최소화하며, 또한 수신기 모듈이 선형 영역에서 동작할 수 있도록 한다. 별도의 셋업을 통하여 주파수에 따른 하향 변환부 전체의 변환 손실을 측정하였다.

그림 3. | Fig. 3. D-대역 IMD3 측정시스템 하향 변환부 구성도 | Configuration of down-converting part in D-band IMD3 measurement system.

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2-3 IMD3 측정시스템 검증

그림 4는 신호 발생부와 하향 변환부를 직접 연결한 측정 셋업으로, 신호 발생부의 검증 및 측정 장비 자체에서 발생하는 IMD3 성분의 확인이 목적이다. 본 논문의 D-대역 2-tone 테스트에서는 129.1 GHz와 130.1 GHz의 기본 주파수(fundamental frequency)를 이용하였다.

그림 4. | Fig. 4. D-대역 IMD3 측정시스템 검증 셋업 | Setup of D-band IMD3 measurement system certification.

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신호 발생부의 가변 감쇠기를 각각 조절하며, 하향 변환부의 출력을 측정함으로써 신호 발생부의 2-tone 출력 전력을 원하는 값이 되게 설정할 수 있다. 신호 발생부 가변 감쇠기의 각 설정값에 따른 2-tone 출력 전력을 모두 측정한 후, 이를 다음 장의 DUT의 IMD3 선형성 측정 시 이용하였다.

그림 4의 셋업으로 기본 주파수 성분뿐만 아닌 IMD3 주파수 성분에 해당하는 129.7 GHz, 130.3 GHz의 출력 전력도 함께 측정하였는데, 이는 측정시스템에서 자체 발생하는 IMD3 성분으로 실제 DUT 측정 시 일종의 배경잡음(background noise)과 유사한 역할을 한다. 하향 변환부의 입력 전력이 −14.3 dBm, −11.1 dBm일 때 측정시스템에서 발생한 IMD3는 각각 −88.3 dBm, −78.4 dBm으로 측정되었고, 이는 실제 DUT의 2-tone 테스트 시 측정 가능한 최소 IMD3로 볼 수 있다.

Ⅲ. D-대역 전력 증폭기 측정 결과

Ⅱ장의 IMD3 측정시스템을 이용하여 그림 5 및 그림 6의 CMOS 기반 D-대역 4단 전력 증폭기^[25]의 선형성을 측정하였다. 해당 증폭기는 교차 결합 커패시터를 사용한 4단 차동 공통 소스 구조로 설계되었고, 모든 임피던스 정합은 트랜스포머와 트랜스포머 기반 발룬을 사용하여 구현되었다. DUT는 그림 7의 셋업을 이용하여 129.9 GHz, 130.1 GHz에서의 2-tone 테스트를 진행하였다. 프로브는 Infinity사의 I170-T-GSG-100-BT가 사용되었다.

그림 5. | Fig. 5. 130 GHz 전력 증폭기 회로도 | Schematic of the 130 GHz power amplifier.

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그림 6. | Fig. 6. 130 GHz 전력 증폭기의 칩 사진 | Chip micrograph of the 130 GHz power amplifier.

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그림 7. | Fig. 7. D-대역 전력 증폭기의 IMD3 측정 셋업 | IMD3 test-setup for D-band power amplifier.

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그림 8은 하향 변환부 출력에서 측정한 스펙트럼인데, 0.2 GHz 간격의 두 기본 주파수 성분 및 0.6 GHz 간격의 IMD3 성분을 확인할 수 있다. 신호 발생부의 전력을 가변하며 2-tone 테스트를 진행하였고, 그 측정 결과를 그림 9에 시뮬레이션과 같이 비교하였다. 측정 결과는 시뮬레이션 결과에 비해 기본 주파수의 경우 평균적으로 약 2.3 dB 높게, IMD3의 경우 약 10.4 dB 높게 측정되었는데, 그 차이는 레이아웃 기생성분의 모델링 오차, 트랜지스터의 비선형성 모델링 오차, 공정 편차 등에 기인한 것으로 여겨진다. 그림 9에서 보듯이 DUT의 측정된 IMD3는 셋업 자체의 배경 IMD3보다 약 20 dB 높아서 선형성 측정 결과의 정확성을 유추할 수 있다(예상 오차 약 0.07 dB).

그림 8. | Fig. 8. 하향변환부 출력 스펙트럼 측정 결과(입력전력=−20.9 dBm) | Measured spectrum at the down-converter output (Input power=−20.9 dBm).

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그림 9. | Fig. 9. D-대역 전력 증폭기 2-tone 측정 결과 | Measured 2-tone test results of D-band power amplifier.

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Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 D-대역 능동회로의 웨이퍼상 IMD3 측정을 위한 테스트 셋업을 제안하고, D-대역 전력 증폭기 시제품 칩의 130 GHz 2-tone 테스트에 사용하였다.

제안한 측정 셋업에서는 두 개의 별도 D-대역 신호원을 방향성 결합기로 합성하여 2-tone 신호를 생성하였는데, 낮은 주파수의 2-tone 신호를 먼저 생성하고, D-대역으로 상향 변환하는 방식에 비해 셋업 자체에서 발생하는 IMD3 성분이 상대적으로 낮은 장점이 있다.

본 논문에서 제안한 2-tone 측정 셋업은 최근 차세대 통신·레이다·센싱 등의 응용으로 매우 활발한 연구가 진행되고 있는 D-대역 회로의 선형성 평가에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.