高分解能路側設置レーダー用RFモジュール

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かつかげいしなみ
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特集高分解能路側設置レーダー用モジュール Radio Frequency Module for High-Resolution Infrastructure Radars * 姉川修大塚晃川崎健 Osamu Anegawa Akira Otsuka Takeshi Kawasaki 塚島光路久保田幹中林隆志 Koji Tsukashima Miki Kubota Takashi

1 特集高分解能路側設置レーダー用モジュール Radio Frequency Module for High-Resolution Infrastructure Radars * 姉川修大塚晃川崎健 Osamu Anegawa Akira Otsuka Takeshi Kawasaki 塚島光路久保田幹中林隆志 Koji Tsukashima Miki Kubota Takashi Nakabayashi 路側設置レーダー用にGHz 帯トランシーバーであるモジュールを開発した本研究では小型化低コスト化に有利な当社独自の技術である3-Dimensional Wafer Level Chip Size Package(3-D WLCSP) を用い GHz 帯のチップセット ( 送信用周波数変換器用周波数変換器高出力増幅器 ) を開発した開発したチップセットを PCB 1 に搭載することで mm 2 の小型モジュールを作製し電波法 ( 送信電力不要波電力等 ) に適合しレーダーシステムから要求される特性 ( 雑音指数ポート間アイソレーション等 ) を実現した We have developed a radio frequency module for -GHz band infrastructure radars. In this work, we built a chip set consisting of a transmitter, receiver, and power amplifier by using our 3-D Wafer Level Chip Size Package technology that allows for miniaturization and cost saving, and mounted it to a printed circuit board. The module is as small as mm 2 in compliance with the standard set by Association of Radio Industries and Business, and meets performance requirements for radar applications. キーワード :GHz 帯トランシーバー WLCSP デバイスモジュール 1. 緒言近年交通事故の撲滅に向けて各種レーダーが盛んに開発製品化さている中でもミリ波レーダーは全天候性 ( 雨雪濃霧の影響 ) と分解能に優れているため衝突防止用のレーダーとして注目されている現在ミリ波レーダーの使用帯域は~GHzに加え ~GHzの帯域も割り当てが進められているミリ波製品が普及するためには安価なデバイスの開発が鍵となる当グループでは 3 次元多層配線と半田ボールを有するデバイスをパッケージを用いずに直接基板上に実装することで小型化低コストを実現する WLCSP 技術を開発してきた (1)~(4) 本研究ではこの技術をミリ波帯に適用しデバイスを試作しモジュール用に設計した PCB に実装することでサイズ2mm 34.5mm の~GHz 小型トランシーバー (モジュール) を開発した以下では開発したチップセット PCB モジュールについて報告する 2. 開発目標開発するモジュールはアンテナを除くミリ波部分を構成するレーダーシステムの設計要求から決定したモジュールのブロック図を図 1に示すモジュールは導波管 () ポートを5つ ( 送信 1 4) 有し PCB 上に発振器 VCO 送信用周波数変換器 TX 用周波数変換器高出力増幅器 PAを搭載した構成である本構成により送信ポートから出た信号を前方に放射し反射を 4つのアンテナで受けることで反射してきた方向を検知できる VCO /4 図 1 TX /8 PCB /2 SMA To PLL レーダーシステムの設計要求から決定したモジュールの主な目標仕様を表 1に示す ARIB standard 2 に適合するため不要波電力には十分マージンを取る必要がある以下ではモジュールの仕様を基に設計試作したデバイス PCB モジュールについて述べる PA 送信モジュールのブロック図 32 高分解能路側設置レーダー用モジュール

表 1 モジュールの目標仕様項目 Min. Typ. Max. 単位送信電力 4.8 11.7 m 送信利得不要波電力 m 利得 5 8 NF 7 9 送間アイソレーション 4 6 ポート間アイソレーション 2 4 3.

2 表 1 モジュールの目標仕様項目 Min. Typ. Max. 単位送信電力 m 送信利得不要波電力 m 利得 5 8 NF 7 9 送間アイソレーション 4 6 ポート間アイソレーションデバイスの開発主要なデバイスには WLCSP 技術を適用した WLCSP 構造はパッケージが不要で小型化に適しているまた格子状で搭載された半田ボールによりリフロー工程で実装できるここではモジュールの目標仕様を基に設計した主要なデバイスの試作結果を示す 3-1 送信用周波数変換器送信用周波数変換器から放出される信号はレーダーに必要な信号以外にも不要に発射されるローカル信号と信号がある図 2に信号と主な不要発射の関係を示す信号はローカル信号と Intermediate Frequency () 信号の周波数和の成分として生成され同時にローカル信号と信号の周波数差の成分として信号が生成されるまたローカル信号は漏洩して不要波として出力される ARIB standard の規格で不要波の漏洩電力は信号の.5% 以下 (23c 以上 ) にする必要がある表 1ではマージンを考慮し送信電力 mに対し不要波電力をm 以下 (25c 以上 ) としている図 3に試作した送信用周波数変換器のブロック図を示す送信用周波数変換器は19GHz 帯ローカルアンプ 2 逓倍器 38GHz 帯ローカルアンプダブルバランス型高調波ミキサで構成される入力された19GHz 帯のローカル信号は2 逓倍器で周波数を2 倍にされ高調波ミキサを駆動する信号 (I+, I-, Q+, Q-) は高調波ミキサにより/GHz 帯の信号へ変換されるダブルバランス回路では同性能のミキサ4つに入るローカル信号と信号の位相関係を変え各ミキサから出力される信号の位相関係も変えて合成しているこれら位相関係を精度良く設計することで信号と信号はお互いに打ち消し合うように合成され信号のみが4 倍に合成されて出力される目標の25c 以上の抑圧を実現するにはミリ波帯で5 度以下の位相精度を実現する必要がある本研究では位相差が3 度以下になるようにライン調整の設計誤差をum 以下となるよう設計した図 4に試作した送信用周波数変換器を示す図 4で格子状に配置された白い丸が半田ボールになる図 5は PCB に実装した送信用周波数変換器の特性を示すの入力電力は m の入力電力は8mであるの電力 -14m に対してとローカルの電力が3c 以上抑圧されており ARIB standard を十分満足する特性が得られた出力電力 (m) Input /4 図 4 図 2 図 3 Output /2 MLT x2 不要発射 2GHz ローカル 2GHz 送信用周波数変換器の出力信号 Q+ Q- Balun 9 Hybrid Balun 送信用周波数変換器のブロック図 I+ I- 送信用周波数変換器 (2.9mm 3.2mm) 218 年 1 月 S E I テクニカルレビュー第 192 号 33

出力電力 (m) - -2-25 をローカルを -3 3 抑圧 3 抑圧 -35-4 -45 ローカル -5-55 72 73 74 75 8 82 83 84 図 5 送信用周波数変換器の評価結果図 7 用周波数変換器 (3.5mm 2.

3 出力電力 (m) をローカルを -3 3 抑圧 3 抑圧ローカル図 5 送信用周波数変換器の評価結果図 7 用周波数変換器 (3.5mm 2.9mm) 3-2 用周波数変換器用周波数変換器には高い感度を得るため低い雑音指数 (NF:Noise figure) が要求される用周波数変換器では帯域のノイズが帯域へ周波数変換され NFが劣化するこの NFの劣化を防ぐため用周波数変換器の構成は送信用周波数変換器と同様に抑圧型のバランス回路を採用し信号の周波数変換利得を抑圧している図 6に用周波数変換器のブロック図を示す用周波数変換器は 2チャンネルの系を1つのデバイスに集積し低雑音増幅器 LNA バランス型高調波ミキサローカルアンプで構成される図 7に設計した用周波数変換器を示す用周波数変換器は左右対称で左右それぞれに1チャンネル分の回路がレイアウトされている図 8には実装した用周波数変換器の評価結果を示すバランス回路の効果での変換利得を3c 抑圧できがNFに影響を与えることなく用周波数変換器のNFはLNAと同等の値が得られた変換利得 () 図 8 を 3 抑圧 3-3 高出力増幅器図 9に高出力増幅器のブロック図を示す高出力増幅器はカレントリユースアンプの4 段構成で電力モニタ用にディタクタを搭載しているカレントリユースアンプは2 つの Field Effect Transistor(FET) をカスコード接続 3 したアンプで消費電流を半分にすることができる電流量を半減することでDC 線路を小型化している図に試作した高出力増幅器を示す高周波増幅器では右側に入力ポート左側に出力ポート下側にDC 端子とディテクタ NF () 用周波数変換器の評価結果 LNA LNA 5Ω 9 Hybrid 9 Hybrid Vref in COUPLER out 5Ω Q I Input /2 I Q Vg Vd3 Vdet 図 6 用周波数変換器のブロック図 Vd1 Vd2 図 9 高出力増幅器のブロック図 34 高分解能路側設置レーダー用モジュール

端子を配置している図11に実装した高出力増幅器の評価アンテナとアンテナからλ/4上方にバックショートを設け結果を示すレーダー帯域 GHz において25 るだけで低ロスにできる図14に試作した MSL ー導波以上の利得と 2m 以上の飽和電力が得られたこの結管変換部の評価結果を示す S11は PA やアンテナへ影響果から PCB の損失約1 込でも線形性の良いバッ

4 端子を配置している図11に実装した高出力増幅器の評価アンテナとアンテナからλ/4上方にバックショートを設け結果を示すレーダー帯域 GHz において25 るだけで低ロスにできる図14に試作した MSL ー導波以上の利得と 2m 以上の飽和電力が得られたこの結管変換部の評価結果を示す S11は PA やアンテナへ影響果から PCB の損失約1 込でも線形性の良いバッを与えない以下の目標に対して -18 以下の良好クオフ領域で送信用周波数変換器の出力をm にでな特性が得られたまた S21は.5 程度で低ロスの特きることが確認できた性が得られたビア材料 RO445B 厚さ.1mm 表面信号ライン用パターン GND用パターン電源ライン用パターン材料銅厚さ.18mm GND 材料銅厚さ 1mm 裏面図12 高出力増幅器 2.9mm 2.3mm アンテナ MSL S11 S21 S22 Sxx [] 図 λ/4 表面 24 出力電力 [m] 4 22 λ/ バックショート GHz GHz 入力電力 [m] 5 図13 PCB の設計接できないライン間の干渉低減と PCB 面積削減のため PCB の層構成を図12の4層構造としたミリ波帯でロスが少ない最上層は信号ライン用の層とし信号ラインとの干渉を低減するため GND 層を挟んで電源ライン用の層を設けている S21 [] リ波帯ではパターン間で信号が結合しやすくラインを隣換構造を採用した導波管変換部の断面構造を図13に示 -3 S21 S 導波管ポートは広帯域で変換効率の良いバックショートを用いたマイクロストリップライン MSL ー導波管変導波管ポートの断面構造モジュールは PCB 上にマルチチップを搭載するため DC ラインと信号ラインを多数引き回す必要があるミ裏面導波管ポート高出力増幅器の評価結果図14 8 S11 [] 図 PCB の層構成導波管ポートの試作結果す導波管変換部の通過特性は送信電力や NF 特性に直接影響を与えるため低ロスで設計する必要があるこの変換構造は基板の上下方向に導波管構造を形成し λ/4の 218 年 1 月 S E I テクニカルレビュー第 192 号 35

5. モジュールの試作結果 2 出力電力 [m] 試作したモジュールを図15に示すモジュールは図1に示す構成でデバイスバックショート VCO 等が PCB 上に実装されている VCO は InGaP HBT で作成したものを使用した裏面には導波管ポート TX 1つ 5 4つを配置しているモジュールのサイズは WLCSP を採用することで 2mm 34.

5 5. モジュールの試作結果 2 出力電力 [m] 試作したモジュールを図15に示すモジュールは図1に示す構成でデバイスバックショート VCO 等が PCB 上に実装されている VCO は InGaP HBT で作成したものを使用した裏面には導波管ポート TX 1つ 5 4つを配置しているモジュールのサイズは WLCSP を採用することで 2mm 34.5mm に小型化できたローカル表面 f()=2ghz, Pi()=m f()=2.ghz port: WR VCO 82 NF [] 4 TX PA 8 モジュールの送信特性 f()=2.ghz 12 変換利得 [] TX 3 1 図16 74 裏面図モジュールの特性試作したモジュールモジュールの送信特性を図16に示す出力は規定のm が得られたまたローカルの出力は -2m 程度で不要波の規格を十分満足した図17は 7 f()=2.ghz Tx-Rx1 Tx-Rx3 8 特性を示している変換利得が9 で NF は6 と設計通りの結果が得られた図18はアイソレーション特性を Tx-Rx2 Tx-Rx4 図18 ポート間ｱｲｿﾚｰｼｮﾝ [] 図15 送間ｱｲｿﾚｰｼｮﾝ [] Size 2mm 34.5mm 6 f()=2.ghz Rx2 1-Rx Rx モジュールのアイソレーション特性示している送間アイソレーションは送信信号が導波管ポートを経由しないでする信号の減衰量を示しておりこの値が低いとレーダーでした信号がモニタできなくなる今回送間アイソレーションは4 以上で目標の特性が得られたポート間アイソレーションは異なるポートに入った信号をする減衰量を示しているこの値が低いとレーダーの角度分解能が低下してしまう今回ポート間アイソレーションは3 以上で良好な値が得られた表2はモジュールの評価結果一覧を示す表が示すように今回試作したモジュールは目標仕様を満たすことができた 36 高分解能路側設置レーダー用モジュール表2 項目送信電力モジュールの評価結果一覧仕様 Min. 4.8 送信利得 Max. Min 不要波電力利得試作結果 Typ. 5 NF Max..3 m -19 m 9 9 単位 Typ. 7 送間アイソレーション 4 4 ポート間アイソレーション 2 3

6. 結言当社独自技術のWLCSP 技術を適用し路側設置レーダー用のデバイスを開発したまたデバイスをモジュール用に設計したPCBに実装してモジュールを試作した試作したモジュールは ARIB standard に適合しレーダーとして必要な仕様を全て満足することができた WLCSP 技術はパッケージ不要のため小型化にも適しており

Tokumitsu, and Y. Hasegawa, E-band radio link communication chipset in cost effective wafer level chip size package (WLCSP)technology, in Proc.

Hasegawa, A full E-band low noise amplifier realized by using novel wafer-level chip size package technology suitable for reliable flip-chip reflow-soldering, in IEEE International

Ogita, Transceiver MMIC's for street surveillance radar, 216 11th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), pp. 329-332(Oct. 216) (4) O. Anegawa, T. Kawasaki, K.

Ogita, A WLCSP -GHz band harmonic mixer with high -leakage suppression, 216 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology (IT), pp. 1-3 (Aug. 216) (5) T.

6 6. 結言当社独自技術のWLCSP 技術を適用し路側設置レーダー用のデバイスを開発したまたデバイスをモジュール用に設計したPCBに実装してモジュールを試作した試作したモジュールは ARIB standard に適合しレーダーとして必要な仕様を全て満足することができた WLCSP 技術はパッケージ不要のため小型化にも適しておりモジュールのサイズを2 34.5mm 2 に小型化できた 7. 謝辞本件の一部は, 総務省の委託研究狭帯域遠近両用高分解能小型レーダー技術の研究開発プロジェクトのもとに実施したものである今回ご助力頂いた皆様に心から感謝の意を表させて頂きます参考文献 (1) K. Tsukashima, M. Kubota, A. Yonamine, T. Tokumitsu, and Y. Hasegawa, E-band radio link communication chipset in cost effective wafer level chip size package (WLCSP)technology, in Proc. of the 6th European Microwave Integrated Circuits Conference, Manchester, pp (Oct. 211) (2) T. Kawasaki, M. Kubota, K. Tsukashima, T. tokumitsu, and Y. Hasegawa, A full E-band low noise amplifier realized by using novel wafer-level chip size package technology suitable for reliable flip-chip reflow-soldering, in IEEE International Microwave Symposium Dig., Tampa Bay, TU3G-1(June 214) (3) K. Tsukashima, O. Anegawa, T. Kawasaki, A. Otsuka, M. Kubota, T. Tokumitsu, S. Ogita, Transceiver MMIC's for street surveillance radar, th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), pp (Oct. 216) (4) O. Anegawa, T. Kawasaki, K. Tsukashima, M. Kubota, T. Tokumitsu, S. Ogita, A WLCSP -GHz band harmonic mixer with high -leakage suppression, 216 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology (IT), pp. 1-3 (Aug. 216) (5) T. Kawasaki, A. Otsuka, M. Kubota, T. Tokumitsu, S. Ogita, Improvement of 19 GHz VCO with use of Feedback Coupled- Line Resonator, 215 European Microwave Conference (EuMC), pp (Oct. 215) 用語集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー 1 PCB Printed Circuit Boardの略機材となる誘電体に銅などの金属で微細な配線パターンが形成されたもの抵抗やコンデンサ ICチップなどの部品を実装して使用する部品を実装する前は回路が形成されていないため PWB(Printed Wiring Board) とも呼ばれる執筆者ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー姉川修 * : 伝送デバイス研究所主席工学博士大塚晃 : 伝送デバイス研究所 2 ARIB standard 日本の電波利用に関する標準規格で電波産業会 (Association of Radio Industries and Businesses) で策定されている川崎健 : 伝送デバイス研究所主席 3 カスコード接続 2つのFETで片方のソースをもう片方のドレインに接続させ残りのソースをGNDへ設置し残りのドレインに DCをバイアスした接続方法電圧が2 倍になるが電流は半分にできる塚島光路 : 伝送デバイス研究所主席久保田幹 : 伝送デバイス研究所グループ長中林隆志 : 伝送デバイス研究所部長ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー * 主執筆者 218 年 1 月 S E I テクニカルレビュー第 192 号 37

E-band 帯送信用MMIC チップセットの開発

E-band 帯送信用MMIC チップセットの開発情報通信 E-band 帯送信用 MMIC チップセットの開発與那嶺淳 * 久保田幹馬場修塚島光路徳満恒雄長谷川裕一 Development of E-band Transmitter Chipset Using Wafer Level Chip Size Package Technology by Atsushi Yonamine, Miki Kubota, Osamu Baba, Koji