Micro- and millimetre-wave circuits for broadband six-port junction receivers

Aachen (2019) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (xi, 176, xvii Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Software-Defined-Radios (SDRs) verwenden ein breitbandiges RF-Frontend und ermöglichen Flexibilität hinsichtlich der Änderung der Betriebseigenschaften eines Kommunikationsempfängers unter Verwendung von Softwareroutinen ohne jegliche Hardwaremodifikation. Ein SDR-Frontend, das die zugewiesene 27 GHz Bandbreite in den nicht lizenzierten Millimeterwellen V- und E-Bändern abdeckt, kann Datenraten in der Größenordnung von Multi-Gbit/s liefern. Probleme wie hohe Kosten, Designkomplexität, geringe Bandbreite und hoher Stromverbrauch der herkömmlichen Empfänger erfordern die Suche nach alternativen Empfängerarchitekturen. Die Einfachheit des Designs und die Breitbandmerkmale eines Sechstorempfängers machen ihn zu einem idealen Kandidaten für die SDR-Implementierung, insbesondere für integrierte Millimeterwellensysteme. Ein Sechstorempfänger Frontend besteht aus einem passiven Sechstor und vier Leistungsdetektoren. Integrierte Systeme, die in einer Standard-CMOS Technologie implementiert sind, bieten den Vorteil, ein komplettes System-on-Chip zu realisieren, das eine kostengünstige Lösung für eine Massenproduktion darstellt. Die in einer Standard-CMOS Technologie implementierten passiven Mikrowellenschaltungen besitzen jedoch aufgrund des verlustbehafteten Substrats mit niedrigem Widerstand einen schlechten Qualitätsfaktor. Daher ist es eine Herausforderung, ein breitbandiges, CMOS-basiertes passives Sechstor zu realisieren. Darüber hinaus ist es schwierig, Leistungsdetektoren mit breitbandiger Eingangsanpassung zu entwerfen, ohne deren Empfindlichkeit zu beeinträchtigen. CMOS-Leistungsdetektoren besitzen eine niedrige Spannungsempfindlichkeit aufgrund der niedrigen Nichtlinearität zweiter Ordnung des MOSFET, der im ohmschen- und starken Inversions- Bereich arbeitet. Dies eröffnet den Raum für die Erkundung von breitbandigen Leistungsdetektortopologien, die für die Herstellung unter Verwendung eines Standard-CMOS Prozesses geeignet sind. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neuartige Topologien für breitbandige, passive Sechstore sowie breitbandige und hochempfindliche Leistungsdetektoren zu entwickeln, die für die Herstellung unter Verwendung von PCB-basierten Mikrowellenhybrid- und Standard-CMOS- Technologien geeignet sind. Für eine Hybridimplementierung wird ein passives Sechstor auf mehrschichtigem PCB, das Mikrowellenfrequenzen abdeckt, für einen Breitbandbetrieb vorgeschlagen. Darüber hinaus wird ein kompaktes und breitbandiges Sechstor unter Verwendung eines Standard-CMOS Prozesses demonstriert. Das vorgeschlagene Sechstor nutzt eine CPW-Kopplung an der Breitseite, um einen geringen Einfügeverlust und einen Breitbandbetrieb in Bezug auf die q-Punkte des Sechstors zu erreichen. Für Hybrid- und CMOS-Implementierungen werden auch mehrere breitbandige Leistungsdetektoren vorgeschlagen. Für eine auf Schottky-Dioden basierende Hybridimplementierung wird ein breitbandiger hochempfindlicher Leistungsdetektor vorgeschlagen, der ein abstimmbares Eingangsanpassungsnetzwerk verwendet. Darüber hinaus wird eine detaillierte Analyse der Dioden-basierten, verteilten Leistungsdetektoren vorgestellt, um ein optimales Design zu ermöglichen. Für CMOS-Leistungsdetektoren wird vorgeschlagen, den MOSFET im Subthreshold-Bereich zu betreiben, um ihre Spannungsempfindlichkeit zu erhöhen. Die erhöhte Spannungsempfindlichkeit kann wiederum gegen eine große Videobandbreite eingetauscht werden. Es wird gezeigt, dass Leistungsdetektoren, die in CMOS-Technologien im tiefen Submikrometer-Bereich implementiert sind, mit einem resistiven Eingangsanpassungsnetzwerk eine große Anpassungsbandbreite liefern können. Die Anpassungsbandbreite ist jedoch möglicherweise für CMOS-Prozesse mit relativ langen Kanallängen aufgrund der erhöhten Eingangskapazität nicht ausreichend. Außerdem werden zwei auf einer verteilten Topologie basierende CMOS-Leistungsdetektoren vorgeschlagen, die eine breitere Anpassungsbandbreite bereitstellen, als mit einem resistiven Eingangsanpassungsnetzwerk möglich ist. Abgesehen von der breitbandigen Eingangsanpassung kann die verteilte Topologie auch eine große Videobandbreite bereitstellen und die Schwellenempfindlichkeit verbessern. Diese Arbeit demonstriert die Fähigkeit der einzelnen Schaltkreise des Sechstorempfänger Frontends, eine große Bandbreite bei Mikrowellen- und Millimeterwellenfrequenzen abzudecken. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen die Möglichkeit, ein Millimeterwellen-SDR-Frontend mit hoher Kapazität für zukünftige drahtlose Systeme zu realisieren.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Qayyum, Saad

Gutachterinnen und Gutachter

Negra, Renato
Bensmida, Souheil

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2019-03034

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