[논문 리뷰] Non-reciprocal Components Based on Switched Transmission Lines

Aravind Nagulu, Tolga Dinç외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 18.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 38인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 스위치드 트랜스미션 라인과 시공간적 도전도 조절을 통해 자성체가 아닌, CMOS 공정과 호환되는 비상호성 구성요소—예를 들어, 이sovators, 서큘레이터, 기요레이터—를 제안한다. 트랜스미션 라인에 따라 고대비 스위칭을 적용함으로써, 광대역, 저손실, 소형의 비상호성 성능을 달성하였으며, 45 nm SOI CMOS 및 이산 구성요소 프로토타입을 통해 실험적으로 검증되었다.

ABSTRACT

Non-reciprocal components, such as isolators and circulators, are critical to wireless communication and radar applications. Traditionally, non-reciprocal components have been implemented using ferrite materials, which exhibit non-reciprocity under the influence of an external magnetic field. However, ferrite materials cannot be integrated into IC fabrication processes, and consequently are bulky and expensive. In the recent past, there has been strong interest in achieving non-reciprocity in a non-magnetic IC-compatible fashion using spatio-temporal modulation. In this paper, we present a general approach to non-reciprocity based on switched transmission lines. Switched transmission lines enable broadband, lossless and compact non-reciprocity, and a wide range of non-reciprocal functionalities, including non-reciprocal phase shifters, ultra-broadband gyrators and isolators, frequency-conversion isolators, and high-linearity/high-frequency/ultra-broadband circulators. We present a detailed theoretical analysis of the various non-idealities that impact insertion loss and provide design guidelines. The theory is validated by experimental results from discrete-component-based gyrators and isolators, and a 25GHz circulator fabricated in 45nm SOI CMOS technology.

연구 동기 및 목표

• 자성체 기반 시스템이 크고 CMOS 공정과 호환되지 않는 점을 극복하기 위해, IC와 호환되는 비자성 비상호성 구성요소를 개발하는 것.
• 기존의 비자성 비상호성 설계에서 내재된 손실, 대역폭, 선형성 간의 상충 관계를 해결하는 것.
• 전기적 이중성 무선 및 레이더 시스템을 위한 스위치드 트랜스미션 라인 기반으로 고성능, 소형, 광대역 비상호성 회로를 실현하는 것.
• 스위치드 라인 비상호성 구성요소의 손실 및 성능 상충 관계를 추정하기 위한 종합적인 이론적 프레임워크 제공

제안 방법

• 스위칭 트랜지스터를 트랜스미션 라인에 따라 배치하여 도전도의 시공간적 조절을 통해 비상호성을 유도하는 방법으로, 시간에 따라 변하는 임피던스 프로파일을 생성한다.
• 지연선을 따라 위상이 이동된 방식으로 트랜지스터를 스위칭하여, 광대역, 손실이 없는 비상호성 행동을 실현하는 스위치드 트랜스미션 라인 기반 설계를 적용한다.
• 이론적 분석은 스위치 및 필터의 Q 인자와 비상호성 요소의 유효 품질 인자와 같은 비이상적 요소를 고려하여 손실을 모델링한다.
• 이중 균형 서큘레이터 구조를 45 nm SOI CMOS 공정으로 설계 및 제작하였으며, 시계 신호를 180° 위상이 이동된 방식으로 적용하여 신호의 방향성 루팅을 실현한다.
• VNA와 밀리미터파 프로브를 사용하여 레이아웃 후 시뮬레이션 및 측정를 수행하였으며, 볼런즈의 탈통합을 통해 S-파ram 등 추출하였다.
• 주파수 응답 및 고립도를 추정하기 위해, 연결된 Q 인자 근사 및 잘라낸 푸리에 급수 전개를 사용하여 이론적 손실 모델을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자성체 물질에 의존하지 않고, 완전히 CMOS 공정과 호환되며 소형이고 광대역인 비상호성을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ2 스위치드 트랜스미션 라인 기반 비상호성 구성요소에서 손실에 영향을 미치는 주요 비이상적 요소는 무엇이며, 이를 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ3 표준 CMOS 공정에서 스위치드 라인 조절을 통해 고선형도, 고주파수 서큘레이터를 실현할 수 있는가?
• RQ4 스위치드 라인 비상호성 구성요소의 성능은 이론적 예측 및 시뮬레이션 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 실제 구현에서 시계 위상 노이즈와 임피던스 불일치가 고립도 및 손실에 미치는 제한은 어느 정도인가?

주요 결과

• 45 nm SOI CMOS 공정으로 제작된 25 GHz 서큘레이터는 측정된 S21 및 S32 손실이 각각 -3.3 dB 및 -3.2 dB로 나타났으며, 이는 설계 후 시뮬레이션 및 이론적 추정치와 매우 유사하였다.
• 측정된 역방향 고립도 S31는 -18.9 dB였으며, 주로 밀리미터파 프로브의 종결부에서 발생하는 리플렉션 손실에 의해 제한되었으며, 서큘레이터 자체의 성능은 영향을 거의 받지 않았다.
• 연결된 Q 인자 및 잘라낸 푸리에 급수 전개를 기반으로 한 이론적 손실 모델은 시뮬레이션 및 측정 결과와 강력한 일치를 보였으며, 분석 프레임워크의 타당성을 입증하였다.
• 10%의 분수 대역폭을 확보하여, UWB 및 밀리미터파 응용 분야에 적합한 광대역 비상호성 성능을 달성하였다.
• 특정 포트의 임피던스 조정 없이도, TX-ANT 손실(S21), ANT-RX 손실(S32), 및 TX-RX 고립도(S31)와 같은 핵심 성능 지표를 최적화하였다.
• 이 연구는 스위치드 트랜스미션 라인이 신호 경로에 활성 소자를 포함하지 않아 왜곡과 노이즈를 감소시키므로, 고선형도 및 고주파수 동작을 실현할 수 있음을 확인하였다.