Στη διατριβή αυτή προτείνονται, αναλύονται και υλοποιούνται εναλλακτικές τοπολογίες για δυο από τα κύρια υποσυστήματα ενός πομποδέκτη, τον τοπικό ταλαντωτή και τον ενισχυτή χαμηλού θορύβου. Το κύριο σύστημα που εξετάζεται είναι αυτό του τοπικού ταλαντωτή, όπου μελετούνται και υλοποιούνται τοπολογίες ταλαντωτών και βρόχων που λειτουργούν υπό εμβολή, με κύριο προσανατολισμό την ελαχιστοποίηση του θορύβου φάσης. Ο προτεινόμενος βρόχος εμβολής προσφέρει την δυνατότητα χρησιμοποίησής του σε multiband συστήματα με ταυτόχρονη μάλιστα λειτουργία στις ζώνες των 2.4 GHz και 5.2 GHz για την περίπτωση των ασύρματων τοπικών δικτύων. Ένας τέτοιος βρόχος μπορεί να συμβάλει καθοριστικά στην ελαχιστοποίηση του μεγέθους και της κατανάλωσης του συνολικού multiband συστήματος. Προτείνεται και υλοποιείται ένας ταλαντωτής εμβολής (injection-locked oscillator) και διερευνάται η δυνατότητά του να λειτουργεί παράλληλα και ως μίκτης δίνοντας ένα κύκλωμα πολλαπλών λειτουργιών και εφαρμογών. Το κύκλωμα αυτό ανάλογα με τα σήματα που εμφανίζονται στην είσοδό του λειτουργεί ως απλός ταλαντωτής, ως ταλαντωτής εμβολής, ή ως ίδιο-ταλαντούμενος μίκτης. Προτείνεται και υλοποιείται βρόχος εμβολής (injection-locked phase-locked loop, ILPLL) και μελετάται η βελτίωση στον θόρυβο φάσης και την περιοχή κλειδώματος. Στα πλαίσια των ILPLL μελετώνται και υλοποιούνται βρόχοι εμβολής στην θεμελιώδη συχνότητα και βρόχοι υπό-αρμονικής (sub-harmonic) εμβολής (s-ILPLL). Ο βρόχος υπό-αρμονικής εμβολής χρησιμοποιεί σήμα εμβολής στα 2.5 GHz και παράγει συχνότητα εξόδου 5 GHz. Στα πλαίσια της διερεύνησης του θορύβου φάσης σε συστήματα τοπικών ταλαντωτών μελετάται η διάταξη του συνθέτη διπλού βρόχου και αναπτύσσεται μία πρωτότυπη τοπολογία με καλύτερα χαρακτηριστικά στον θόρυβο φάσης σε σύγκριση με τις κλασικές αρχιτεκτονικές διπλού βρόχου. Σε όλες τις παραπάνω διατάξεις, παρουσιάζονται, η μαθηματική ανάλυση για τον θόρυβο φάσης και τα αποτελέσματα των θεωρητικών υπολογισμών. Η ορθότητα των προτάσεων και η λειτουργία των προτεινόμενων διατάξεων επαληθεύεται με μετρήσεις των πειραματικών πρωτοτύπων. Τέλος, στα πλαίσια της διατριβής προτείνεται ένας ενισχυτής χαμηλού θορύβου που περιλαμβάνει κύκλωμα ελέγχου του κέρδους, το οποίο δίνει την δυνατότητα στο σύστημα να «επιλέξει» την επιθυμητή ενίσχυση ανάλογα με τις συνθήκες, μειώνοντας έτσι σημαντικά την κατανάλωση σε περιπτώσεις όπου αυτό είναι δυνατό. Περιλαμβάνει επίσης και φίλτρο απόρριψης ειδώλου που ελέγχεται από εξωτερική τάση συντονισμού. / In this dissertation we propose, study and develop alternative topologies for two of the most important blocks of a Front-End, the Local Oscillator and the Low Noise Amplifier. We are mainly concerned with the analysis of various local oscillator topologies, studying the phase noise and the injection-locking performance of oscillators and phase-locked loops. The overall performance of the experimental design demonstrates the applicability of the proposed approach to the development of dual-band synthesizers (2.4 GHz and 5.2 GHz), which constitute very important subsystems for modern multiband/multistandard transceivers in WLAN applications. We propose and develop an injection locked oscillator (ILO) and investigate the ability to operate simultaneously as a mixer resulting in a multifunctional circuit. The proposed circuit topology operates as: a) a free-running oscillator, b) both an injection-locked oscillator and a subharmonic injection-locked oscillator (s-ILO), c) both a self-oscillating mixer and a harmonic self-oscillating mixer (h-SOM), and d) a subharmonic injection-locked self-oscillating mixer (s-ILSOM). We propose and develop a different approach for ILPLL design at 5 GHz by applying a technique used in optical communications. We newly address the phase-noise analysis using the loop linear model and compare the results with previously reported work. Furthermore, we address the phase noise improvement of subharmonic ILPLLs, especially for the 5-GHz band. Theoretical analysis and computer calculations demonstrate an improved performance for phase noise and power consumption. We present the analysis and experimental evaluation of a modified dual-loop phase locked loop synthesizer, using the phase noise transfer functions resulting from the linear model of the synthesizer. The different arrangement in the high frequency loop, in contrast to previous reported series-connected dual-loop topologies, offers various advantages, such as improved phase noise, finer resolution and lower spurious levels. Discrete elements are used to implement a prototype system for testing. This adds to the flexibility of the design and allows for experimental optimisation of the loop trade-offs. The synthesizer generates signals in the 4850 MHz to 5050 MHz range with a 10 MHz resolution and can match the specifications for wireless LANs operating at 5 GHz. The design resulted in a prototype with very good characteristics suitable for future integration. For all the proposed topologies we present the mathematical analysis and calculated results for the phase noise. Measurement results illustrate the validity of the proposed analyses, demonstrate the main characteristics, and confirm the feasibility of the proposed systems. Finally, a bipolar Low Noise Amplifier (LNA) is designed in this thesis. The IC contains the LNA core, an externally programmed bias network and an image rejection filter. The externally programmed bias network allows the user to select the bias current in an adaptive manner, depending upon the requirements of the individual system. (Low NF, high gain, low consumption etc). Furthermore, the chip can be powered down by sending an appropriate bit stream to the bias network.

Cette thèse présente le travail effectué sur la conception d’un oscillateur à quartz miniature (volume visé de 1 cm3) con-trôlé en température. Les équipements de télémétrie, poursuite et contrôle tels que ceux utilisés dans les microsatellites (comme Myriades) sont d'un volume très important (8 litres). Des équipements avec un volume 8 fois moindre (1 litre) sont envisagés sur les pico et nano satellites. Une réduction drastique du volume et de la consommation est donc nécessaire, à performances égales. Elle nécessite une remise en question de l'ensemble des éléments composant l'équipement dont le micro-oscillateur, tant au niveau volume qu'au niveau consommation d’énergie. Les études préliminaires ont servi à définir le résonateur adapté pour satisfaire les spécifications de stabilité demandées. La simulation thermique d'un modèle d’oscillateur OCXO (Oven Controlled Xtal Oscillator) a permis d'obtenir une bonne compréhension des transferts de chaleur dans le dispositif. La réduction des pertes thermiques et l'augmentation de la stabilité thermique du résonateur étaient les principaux défis. La dilatation thermique du résonateur entraine des contraintes mécaniques au niveau de ses fixations et décale la fréquence de résonance. Un MEMS en silicium a été conçu pour supporter le résonateur à l’aide de simulations thermomécaniques. Ce support est compatible avec les contraintes de faible con-sommation et de sensibilité thermique tout en gardant une bonne résistance aux chocs. En ce qui concerne l’électronique, une puce ASIC utilisée depuis plusieurs années a été caractérisée pour établir un modèle numérique. Cette étude a dévoilé les facteurs limitants des performances de l’ensemble et permis d’envisager des solutions correctives. En intégrant dans la démarche les coûts de fabrication, l’utilisation d’un ASIC a été écartée (au moins provisoirement) au profit d’une solution exploitant des composants électroniques du commerce. Enfin, un démonstrateur de module physique miniature a été monté et caractérisé. Les résultats de mesures montrent que la consommation du démonstrateur reste inférieure à la spécification demandée (50 mW à une température extérieure de 25°C et à 100 mW pour -40°C). L’importance de la participation du rayonnement dans les échanges thermiques a aussi été validée expérimentalement. / This thesis presents the work on designing a miniature temperature controlled crystal oscillator (required volume is 1 cm3). TTC (Telemetry, Tracking and Control) equipment which is used in microsatellites (as Myriades) has a very important volume (8 liters). 8 times lower volume equipment (1 liter) is planned for pico and nano satellites. Therefore, a significant reduction of volume and consumption for equal performance is necessary. Redesign is required for all components of equipment items including micro-oscillator, as in volume as at the level of energy consumption. Preliminary studies have served to define the resonator adapted to satisfy the request stability specifications. Thermal simulation of an OCXO oscillator model (Oven Con-trolled Xtal Oscillator) has permitted to achieve a good understanding of heat transfer into the device. Reducing heat loss and increases the thermal stability of resonator were major challenges. Thermal expansion of the resonator causes mechanical stresses in its mountings and shifts the resonance frequency. A silicon MEMS has designed for supporting the resonator by using thermo-mechanical simulations. This support is compatible with the constraints of low consumption and heat sensitivity retaining good impact resistance. As regards electronics, an ASIC chip which is used during many years has characterized with the purpose to obtain the digital model. This study has revealed the limiting factors of the oscillator performance. Also it has allowed to provide remedial solutions. The ASIC using was rejected in favor of the solution operating with commercial electronic components (at least temporarily). Finally, a miniature demonstrator of physical module was assembled and characterized. The measuring results show that demonstrator consumption remains below the required specification (50 mW at outside temperature 25°C and 100 mW at -40 ° C). The importance of the participation of radiation within the thermal exchanges has also validated experimentally.

Cette thèse porte sur l’analyse et la conception de générateurs de fréquence millimétrique à faible bruit de phase destinés à des applications de communication sans fil de très haut débit sur une technologie BiCMOS 0.25m. Spécifiquement, des applications backhauling sont visées sur le protocole de communication P2P (point-to-point), pour un système de radio hétérodyne (à faible fréquence intermédiaire) approprié pour les bandes entre 30–38GHz et de faible profondeur de modulation (2-3 bits /symbole). Une étude rigoureuse du comportement du bruit de phase en 1/f2 d’un oscillateur contrôlé en tension (du type paire différentielle croisée) en fonction de la fréquence d’oscillation est développée. Des facteurs essentiels pour la conception de ces oscillateurs tels que la plage de fréquence et la charge de la paire croisée sur le résonateur sont pris en compte dans l’analyse. L’étude révèle que lorsque la fréquence augmente, l’oscillateur passe à travers deux régimes d’opération différents, ici appelés région QL-limited et région QC- limited, qui résultent de la dépendance du facteur de qualité du résonateur à sa partie inductive (pour les basses fréquences d’oscillation) et sa partie capacitive (pour les hautes fréquences d’oscillation). De plus, l’impact de la plage de fréquence sur l’évolution du bruit de phase en 1/f2 a été considéré en utilisant un circuit classique à base d’un varactor et d’un condensateur du type MiM. Des équations simples et précises ont été calculées pour les paramètres du circuit afin d’obtenir une fréquence centrale souhaitée avec la variation de la capacité requise. Pour ce circuit, il a été démontré (et vérifié à travers des simulations du circuit) que le pire scénario du facteur de qualité peut être associé à la constante de temps d’un condensateur. Ce dernier a permis d’estimer aisément le facteur de qualité minimal de la partie capacitive du résonateur LC de l’oscillateur, pour une plage de fréquence donnée, en fonction de la fréquence d’oscillation. D’une manière similaire, et basée sur une analyse à petit signal, la constante de temps de la capacité de sortie de la paire croisé a été déterminée. Notamment cette constante de temps présente un comportement constant sur une large gamme de fréquences, ce qui permet d’évaluer facilement son facteur de qualité. Cette étude fournit les bases théoriques qui permettent l’évaluation du bruit de phase en 1/f2 d’une source de signal basée sur un oscillateur en mode fondamental, super-harmonique ou sous-harmonique. En effet, la supériorité des oscillateurs sous-harmoniques est démontrée et des équations simples sont proposées pour déterminer la performance maximale et les conditions dans lesquelles elles peuvent être atteintes. Enfin, un système de génération de signal est ainsi conçu et vérifié par des mesures sur un prototype. Le système est composé d’un VCO sous-harmonique suivi d’un tripleur de fréquence (ILFT) –verrouillé par injection. Le circuit est implémenté sur une technologie SiGe:C BiCMOS 0.25 m. Le tripleur implémente une configuration à émetteur commun, polarisé en courant, qui exploite la seconde harmonique du VCO afin d’améliorer l’efficacité de la génération du signal responsable de verrouiller le ILFT. A 30.8 GHz, le système atteint un bruit de phase de -112 dBc/Hz à 1MHz d’offset. La consommation totale de courant est de 38mA pour une tension d’alimentation de 2.5V. Un deuxième prototype a été réalisé pour un système de génération multibande, offrant ainsi trois sorties RF à 18 GHz, 34GHz et 68 GHz. Avec une plage de fréquence de 10% (mesurée par rapport à la fréquence centrale) pour chaque sortie RF. Le bruit de phase mesuré à 1MHz d’offset est respectivement de -113dBc/Hz, -107dBc/Hz et -100dBc/Hz.. / This thesis deals with the analysis and design of Low phase Noise Local-Oscillator(LO) sources suitable for backhauling applications on the frequencies 30-38GHz. The LO is intended to be used in a low-IF architecture for low order modulations (2-3 bits/symbol). This work was developed in collaboration with NXP Semiconductorsat CAEN, France, within the project RF2THz of the European program CATRENE.The original contributions in this work include a rigorous study of the 1/f2 phasenoise characteristics of the VCO (bipolar cross-coupled pair Voltage-Controlled-Oscillator) with the oscillating frequency. Key factors in the design of VCOs such as tuning range and the tank load given by the cross-coupled pair are considered in the analysis. The study reveals that as the frequency scales, the VCO passes through two different zones, named the QL-limited and the QC-limited region, that results from the dependence of the resonator quality factor on its inductive part (for low oscillating frequencies) and its capacitive part (for high oscillating frequencies). Moreover, the impact of the tuning range on the 1/f2 phase noise evolution was captured by using a classical circuit based on an AC-coupled varactor and a MiM capacitor. Simple and accurate equations were derived for the circuit parameters in order to achieve a desired central frequency with the required capacitance variation. For this circuit, it is demonstrated (and verified through circuit simulations) that the lowest quality factor scenario can be associated to the time-constant of a lossy capacitor. The latter allows to estimate easily the minimum quality factor of the capacitive part of the VCO LC tank, for a given tuning range, as a function of the oscillating frequency. In a similar way, and based on a small signal analysis, the time-constant of the output capacitance of the bipolar cross-coupled pair was derived. Interesting, this time constant shows a constant behavior over a wide frequency range, thereby allowing to estimate easily its quality factor. This study set the bases for an analytical framework that enables the evaluation of the 1/f2 phase noise performances of local oscillator sources working either on fundamental,super-harmonic or sub-harmonic mode. The superiority in terms of 1/f2 phase noise of local oscillators based on sub-harmonic oscillators is thus demonstrated and simple equations are derived to determine the maximum performance and the conditions on which this can be achieved. Finally, a signal generation system intended for a low-IF point-to-point fixed radio system in the Ka-Band band is thus designed and verified through prototype measurements.The system is composed by a sub-harmonic VCO followed by an injectionlocked frequency tripler (ILFT) and it is designed in a 0.25m BiCMOS SiGe:C technology. The ILFT implements a cascode current-biased common emitter configuration that exploits the second harmonic of the VCO to enhance the efficiency in the generation of the injecting signal responsible for the ILFT locking. At 30.8GHz, the system achieves a phase noise of -112dBc/Hz at 1MHz offset. The total current consumption is 38mA for a supply voltage of 2.5V. A second prototype is designed for a multiband LO generation, providing thus three RF outputs at 18GHz, 34GHz and 68GHz. With a measured tuning range of 10% for each RF output, the measured phase noise at 1MHz is -113dBc/Hz, -107dBc/Hz and -100dBc/Hz respectively.

The research conducted in this dissertation studies the issues regarding the improvement of phase noise performance in a BiCMOS Silicon Germanium (SiGe) cross-coupled differential-pair voltage controlled oscillator (VCO) in a narrowband application as a result of a tail-current shaping technique. With this technique, low-frequency noise components are reduced by increasing the signal amplitude without consuming additional power, and its effect on overall phase noise performance is evaluated. The research investigates effects of the tail-current as a main contributor to phase noise, and also other effects that may influence the phase noise performance like inductor geometry and placement, transistor sizing, and the gain of the oscillator. The hypothesis is verified through design in a standard 0.35 μm BiCMOS process supplied by Austriamicrosystems (AMS). Several VCOs are fabricated on-chip to serve for a comparison and verify that the employment of tail-current shaping does improve phase noise performance. The results are then compared with mathematical models and simulated results, to confirm the hypothesis. Simulation results provided a 3.3 dBc/Hz improvement from -105.3 dBc/Hz to -108.6 dBc/Hz at a 1 MHz offset frequency from the 5 GHz carrier when employing tail-current shaping. The relatively small increase in VCO phase noise performance translates in higher modulation accuracy when used in a transceiver, therefore this increase can be regarded as significant. Parametric analysis provided an additional 1.8 dBc/Hz performance enhancement in phase noise that can be investigated in future works. The power consumption of the simulated VCO is around 6 mW and 4.1 mW for the measured prototype. The circuitry occupies 2.1 mm2 of die area. Copyright / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2010. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

This thesis focuses on detection algorithms of radar targets, namely on group of techniques for removing of disturbing reflections from static objects - clutter and for suppression of distortion products caused by the phase noise of the transmitter and receiver. Methods for distortion suppression in received signal are designed for implementation in the developed active multistatic radar, which operates in the code division multiplex of several transmitters on single frequency. The aim of the doctoral thesis is to design, implement in tool for technical computing MATLAB and analyze the effectiveness and computational complexity of these techniques on simulated and real data.

The work deals with the problematics of receiving very weak radio signals and it is focused especially on systems for low rate telemetry with carrier-subcarrier modulation. The part of this work is dedicated to calculation the link budget of typicall telemetry data transmission system between the Mars and the Earth in respect of the receiving equipment, which could be developed in the Experimental sattelites laboratory on the Institute of radio electronics BUT. The main part of this work is dedicated to developing and testing the low rate telemetry data transmission system model. The model is developed for the purpose of study the effects of AWGN and phase noise on the whole system and also on its component parts. The model has been developed and described in the way of easy parameters modification. The design for each parameter of the model is described carefully. With the developed model, the study of the effects of AWGN and phase noise on the whole system and also on its component parts has been performed.

Nachrichtentechnische Systeme werden stets durch unvermeidbare zufällige Störungen beeinflußt. Neben anderen Komponenten sind davon besonders Oszillatoren betroffen. Die durch die Störungen verursachten zufälligen Schwankungen in der Oszillatorausgabe können als Amplituden- und Phasenabweichungen modelliert werden. Dabei zeigt sich, daß vor allem zufällige Phasenfluktuationen von Bedeutung sind. Zufällige Phasenfluktuationen können unter Verwendung stochastischer Prozesse zweiter Ordnung mit kurzem oder langem Gedächtnis modelliert werden. Inhalt der Dissertation ist die Herleitung eines Verfahrens zur Simulation zufälliger Phasenfluktuationen von Oszillatoren mit kurzem Gedächtnis unter Berücksichtigung von Datenblattangaben.

Radio Frequency (RF) and Microwave devices are typically implemented in Integrated Circuit (IC) form to minimize parasitics, increase precision and tolerances, and minimize size. Although IC fabrication for students and independent engineers is cost-prohibitive, an abundance of low-cost, easily accessible printed circuit board (PCB) and electronic component manufacturers allows affordable PCB fabrication. While nearly all microwave voltage-controlled oscillator (VCO) designs are IC-based, this study presents a discrete PCB-level cross-coupled, differential LC VCO to demonstrate this more affordable and accessible approach. This thesis presents a 65 mW, discrete component VCO PCB with industry-comparable RF performance. A phase noise of -103.7 dBc/Hz is simulated at a 100 kHz offset from a 4.05 GHz carrier. This VCO achieves a 532 MHz (13.25%) tuning bandwidth. A figure of merit, FOMP, [1] value of -177.7 dB (includes phase noise and power consumption) is calculated at 4.05 GHz. This surpasses the performance of an industry standard VCO (HMC430LPx, Analog Devices), -176.5 dB, and four other commercially available VCOs. Furthermore, this study presents novel discrete design implementations to minimize both power consumption and capacitive loading effects, while optimizing phase noise. Finally, this project serves as a reference for analyzing and implementing low-level, complex RF and Microwave circuits on a PCB accessible to all students and independent engineers.

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