Massive multiple-input multiple-output is a promising technique for the next generation of wireless communication systems which addresses most of the critical challenges associated with concurrent relaying systems, such as digital signal processing complexity, long processing delay, and low latency wireless communications. However, the deployment of conventional fully digital beamforming methods, dedicates one radio frequency (RF) chain to each antenna, is not viable enough due to the high fabrication/implementation cost and power consumption. In this thesis, we envision to address this critical issue by reducing the number of RF chains in a viable analog/digital configuration paradigm which is usually referred to hybrid structure. From another viewpoint, the development of fifth generation enabling technologies brings new challenges to the design of power amplifiers (PAs). In particular, there is a strong demand for low-cost, nonlinear PAs which, however, introduce nonlinear distortions. On the other hand, contemporary expensive PAs show great power efficiency in their nonlinear region. Inspired by this trade-off between nonlinearity distortions and efficiency, finding an optimal operating point is highly desirable, and this is the second key contribution of this thesis.

This thesis explores and develops a simulation model for Line of Sight(LoS) Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems in complex environments. The focus will be on implementing a 2 × 2-MIMO system in order to study phase differences of the received signals. The propagation of the electromagnetic waves is based on an existing wave propagation model that uses the parabolic equation approach. This work aims to deepen our understanding of a 2 × 2-MIMO systems’ behavior under various conditions, including free space propagation but also standard atmospheric and ducting environments. The results demonstrate that the parabolic equation method aligns well with theoretical expectations, validating its use for modeling MIMO systems.The findings have significant implications for optimizing the design and operation of wireless communication systems. The thesis also outlines potential future work, including empirical model verification, development of alternative models, and extension to more complex MIMO systems.

Die vorliegende Arbeit ist der analytischen Untersuchung und Weiterentwicklung von Methoden und Schaltungen zur Einstellung der Signalphase und -amplitude gewidmet. Hierbei wird zum Ziel gesetzt, die Leistungsfähigkeit dieser Schaltungen als analoge Hochfrequenz-Baugruppen in Empfangs- und Sendeschaltkreisen mit einem vergleichbaren oder geringerem schaltungstechnischen Aufwand und Strombedarf zu verbessern und dies anhand von Implementierungsbeispielen zu bestätigen. Die Dämpfungsglied-Topologien , T, überbrücktes T und X werden modelliert und hinsichtlich der Phasenbeeinflussung analysiert, sodass eine Bewertung ihrer Eignung durchgeführt werden kann. Weiterhin wird ein innovativer Ansatz zur Linearisierung der Steuerkennlinie vorgestellt und mit Hilfe einer Beispielschaltung mit einem Phasenfehler von 3 ° und einem Steuerlinearitätsfehler von 0,35 dB innerhalb der 1 dB Grenzfrequenz und einem Steuerbereich von 20 dB nachgewiesen. Die Arbeit bietet darüber hinaus eine analytische Betrachtung zu aktiven steuerbaren Verstärkern, welche die besondere Eignung der Gilbert-Zelle aufzeigt und eine geeignete Ansteuerschaltung ableitet. Am Beispiel nach diesem Prinzip entworfener Schaltkreise werden Phasenfehler von nur 0,4 ° innerhalb eines besonders hohen Stellbereichs von 36 dB demonstriert, wodurch eine Vergrößerung des Stellbereichs um den Faktor 4 und eine Verbesserung des Phasenfehlers um den Faktor 2 im Vergleich zum Stand der Technik erreicht wurde. Es wird der Zirkulator-Phasenschieber maßgeblich durch eine neuartige geeignete Ansteuerung verbessert. Damit werden die sonst für die Amplitudenbeeinflussung im Wesentlichen verantwortlichen Varaktoren überflüssig, ohne dabei den schaltungstechnischen Aufwand zu erhöhen. Eine Messung der entsprechenden Schaltung bestätigt dies mit einem Amplitudenfehler von nur 0,9 dB für einen Phasenstellbereich von 360 °, was einer Verringerung des Fehlers um den Faktor 3 im Vergleich zu herkömmlichen Zirkulator-Phasenschiebern entspricht. Abschließend wird der Funktionsnachweis mehrerer entworfener Vektor-Modulatoren mit einer effektiven Genauigkeit von bis zu 6 bit in Einzelschaltungen, Hybridaufbauten und schließlich im Rahmen eines vollständig integrierten Empfängerschaltkreises erbracht. Dieser erzielt eine Verdopplung der Reichweite bei einer um nur 35% höheren Leistungsaufnahme gegenüber einem herkömmlichen Kommunikationsverfahren (SISO). / The present work is dedicated to the investigation and enhancement of amplitude and phase control methods and circuits. The aim is to enhance the performance of these circuits in modern radio frequency transceivers with a comparable or even lower effort and power consumption. A prove of concept will be delivered with implementation examples. By means of models of the passive attenuator topologies , T, bridged-T and X, a thorough analysis is performed in order to compare them regarding their impact on the signal phase. Additionally, a novel approach to increase the control linearity of the attenuators is proposed and verified by measurements, showing a phase error of 3 ° and a control linearity error of 0,35 dB at the 1 dB corner frequency, successfully. The work also presents an investigation on variable gain amplifiers and reveals the superior performance of the Gilbert cell with respect to low phase variations. A cascode biasing circuit that supports these properties is proposed. Measurements prove this concept with relative phase errors of 0,4 ° over a wide attenuation control range of 36 dB thus cutting the error by half in a four times wider control range. The circulator based phase shifting approach is chosen and improved significantly by means of tuning the transconductor instead of the varactors thus removing their impact on signal amplitude. The approach is supported by measurements yielding an amplitude error of only 0,9 dB within a phase control range of 360 ° which corresponds to an improvement by a factor of three compared to recent circulator phase shifters. Finally, the design of several vector modulator topologies is shown with hardware examples of single chips, hybrid printed circuit boards and highly integrated system level ICs demonstrating a full receiver. By using improved variable gain amplifiers, an effective vector modulator resolution of 6 bit without calibration is achieved. Furthermore, a multiple-input multiple-output system is demonstrated that doubles the coverage range of common SISO systems with only 35% of additional power consumption.