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멤스(MEMS, Micro Electro-mechanical System) 기술은 전자 및 초미세 반도체 공정 기술과 기계 기술 등을 이용하여 마이크로 또는 나노 단위의 초미세 부품과 시스템을 설계 및 제작하고 응용하는 기술을 말한다. 이러한 기술은 소형화, 집적화, 저전력화, 고성능, 저가격화 및 고신뢰화의 장점을 가진다. 궁극적으로 멤스 기술은 시스템-온-칩(SoC, System-on-Chip)화를 위한 필수적인 기술이다[1]. 시스템-온-칩 기술은 하나의 칩 안에 일정량 이상의 복잡도를 가지는 다수의 칩의 기능(디지털 회로, 아날로그 회로 및 고주파 회로 기능)을 하나의 칩으로 구현하는 기술을 말하며, 소형화, 집적화, 저전력화, 고밀도 등의 장점을 가진다[1].

멤스 시스템-온-칩 기술은 기존의 고주파 소자에 비하여 저손실, 저전력 동작 및 높은 아이솔레이션(Isolation) 특성을 가진다. 특히 반도체 공정의 적용이 수월하고 소자의 크기 소형화가 가능하다. 두 기술의 장점으로 인해 최근 멤스 시스템-온-칩 (MEMS SoC)에 대한 연구가 활발히 진행 중이다[2]-[9].

본 논문에서는 이러한 기술을 차량 충돌 방지 77GHz 레이더 송신부의 전력 증폭기 개발에 접목하고자 한다. 개발한 전력 증폭기는 3μm의 최상위 금속 두께 층을 가진 0.18μm BCD(Bipolar/CMOS/ DMOS) 1-폴리 4-금속 공정 (f_T/f_MAX=100/130GHz)으로 설계되어 있다. 임피던스 정합에 주로 사용하는 넓은 면적을 가진 인덕터 대신 전송선을 이용하여 전체 칩 크기를 줄이고자 하였다. 또한 기판 손실을 줄이고 Q 값을 향상시켜 전력 증폭기의 특성을 향상시키기 위해 일부 인덕터와 커패시터를 고주파 멤스 인덕터와 튜너블 커패시터로 각각 사용하였다. 77GHz 초고주파 대역에서 기생 성분들을 최소로 하기 위해 멤스 시스템-온-칩 기술, 초고주파 회로 설계 기술, 레이아웃 기술 등을 연구하였다. 제안하는 증폭기는 최근 발표된 연구결과에 비해 45mW의 가장 적은 소비전력, 17.5%의 가장 높은 최대 전력부가 효율, 26.8dB의 가장 높은 전력이득 및 0.152mm²의 가장 작은 칩 면적 특성을 보였다.

그림 4는 주파수에 따른 전력부가효율(PAE, Power Added Efficiency)과 포화출력전력(P_sat) 특성을 나타낸 것이다. 전력부가효율은 전력 증폭기의 순수 전력효율 특성을 나타내는 지표로서, 교류 출력전력에서 교류 입력전력을 뺀 순수 교류 출력전력을 직류 입력전력으로 나눈 것을 의미한다. 74~80GHz에 대해 14.1~17.5%의 최대 전력부가효율 특성과 5~19.5dBm의 포화출력전력 특성을 각각 보였다. 특히 77GHz에서 19.5dBm의 높은 출력전력 특성과 17.5%의 우수한 전력부가효율을 보였다.

Fig. 4. 
Frequency versus PAE and P_sat

그림 5는 77GHz의 동작주파수에서 입력전력에 따른 전력이득과 출력전력을 나타낸 것이다. 전력 증폭기는 허용 가능한 동적 범위(Dynamic Range)를 가지고 있기 때문에, 입력전력에 따라 출력전력과 전력이득이 변경된다[2][3]. 그림 5로부터 알 수 있듯이 제안한 증폭기는 77GHz의 동작주파수에서 26.8dB의 우수한 전력이득을 보였고, -12dBm의 입력 1dB 압축 점(IP_1dB, input 1dB compression point)에 대해 14.5dBm의 출력 1dB 압축 점(OP_1dB, output 1dB compression point) 특성을 보였다. 이러한 결과는 제안한 증폭기가 다양한 입력전력 수준에 대해 우수한 전력이득과 출력전력 특성을 가짐을 증명한다.

Fig. 5. 
Input power versus power gain and output power

77GHz의 동작주파수에서 전력 증폭기의 입력전력에 따른 출력전력 및 전력부가효율 특성을 그림 6에 나타내었다. 그림 6의 결과로부터 알 수 있듯이 동작주파수에서 19.5dBm의 높은 출력전력과 17.5%의 우수한 전력부가효율 특성을 보였다.

Fig. 6. 
Input power versus output power and PAE

본 연구에서 제안하는 전력 증폭기는 주파수 변조된 연속파(FMCW, Frequency-Modulated Continuous Wave)를 이용한 레이더 시스템에 적용되고 때문에 안테나를 통해 FMCW를 전송함에 있어 우수한 위상 선형성이 요구된다[2][3]. 높은 출력전력과 우수한 전력부가효율 특성이 필요하다.

표 4는 본 논문에서 제안한 77GHz BCD 전력증폭기와 최근 연구결과들을 비교한 것이다. 본 논문에서는 제작공정, 포화 출력 전력, 전력이득, OIP3, 직류 소비전력, 입력/출력 반사손실, 최대 전력부가 효율과 칩 면적을 각각 비교하였다. 넓은 면적을 차지하는 인덕터(L₇~L₈) 대신 전송선(T₁~T₆)을 사용하여 전체 칩 면적을 줄이고 선 위상 천이 오차를 줄였다. 또한 고주파 인덕터와 커패시터 대신 Q가 높고, 손실이 적은 고주파 멤스 인덕터 및 튜너블 커패시터를 이용하였다.

표 4의 결과로부터 알 수 있듯이 본 연구에서 제안하는 BCD 증폭기는 최근 연구결과와 비교해 볼 때 26.8dB의 가장 높은 전력이득, 45mW의 가장 적은 소비전력, 17.5%의 가장 높은 전력부가 효율 및 0.152mm²의 가장 작은 칩 면적을 보였다. 또한 19.5dBm의 높은 포화 출력 전력과 –18dB의 낮은 입력 반사손실 및 –19dB의 낮은 출력 반사손실 특성을 보였다.

본 논문은 차량용 장거리 레이더를 위한 77GHz BCD 전력 증폭기를 제안하였다. 제안한 회로는 77GHz의 동작주파수와 2V의 전원에서 동작하였다. 이러한 회로는 0.18μm BCD 1-폴리 4-금속 공정 (f_T/f_MAX=100/130GHz)으로 설계 및 제작하였다. 개발한 회로는 최근 연구결과와 비교해 볼 때 26.8dB의 가장 높은 전력이득, 45mW의 가장 적은 소비전력, 17.5%의 가장 높은 최대 전력부가 효율과 0.152mm²의 가장 작은 칩 면적 특성을 보였다. 또한 우수한 S 파리미터 특성과 우수한 높은 포화 출력 전력을 보였다. 이러한 특성을 바탕으로 향후 장거리 레이더의 전력 증폭기 개발에 적용되리라 기대한다.