Diese Arbeit beschreibt den Entwurf, die Analyse und die Verifikation von integrierten Schaltungen zur Frequenzumsetzung für drahtlose Übertragungssysteme im Millimeterwellenbereich. Bei der Beschreibung der zur Verfügung stehenden Halbleitertechnologien und der Aufbau- und Verbindungstechniken wird deutlich, dass parasitäre Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten sämtlicher Verbindungen Verluste und Reflexionen verursachen, die mit der Signalfrequenz ansteigen. Dies motiviert die Reduktion der Signalfrequenz zur Verringerung dieser Verluste, soweit wie dies in einem Millimeterwellensystem möglich ist.
Neben den in drahtlosen Übertragungssystemen ohnehin erforderlichen Mischern zur Modulation und Demodulation werden in dieser Arbeit auch Frequenzmultiplizierer vorgestellt. Mit diesen Schaltungen ist es möglich, das hochfrequente Trägersignal direkt neben den Mischern zu erzeugen und mit möglichst kurzen Leitungen anzuschließen, sodass die parasitären Verluste dieser Verbindung sowie die Reflexionen minimal werden. Mit Ausnahme der Verbindungen zu den Antennen kann dadurch die Frequenz der restlichen extern anzuschließenden Signale, nämlich des zu übertragenden Basisbandsignals und des subharmonischen LO-Signals, wesentlich verringert werden, wodurch die Verluste insgesamt reduziert werden.
In dieser Arbeit werden dafür zwei Frequenzverdoppler und ein Frequenzversechsfacher vorgestellt, die jeweils mit einer Eingangsfrequenz im Bereich um 30 GHz Ausgangssignale bei 60 GHz bzw. bei 180 GHz erzeugen. Diese drei Schaltungen wurden mit einem Schwerpunkt auf der Unterdrückung unerwünschter Harmonischer und einer gleichzeitig effizienten Erzeugung der gewünschten Harmonischen entworfen. Damit konnte der Stand der Technik für BiCMOS-Frequenzmultiplizierer mit einer Ausgangsfrequenz von bis zu 210 GHz verbessert werden. Sowohl hinsichtlich der absoluten DC-Leistung des Frequenzversechsfachers von lediglich 63 mW, als auch bezüglich der Effizienz (PAE) von 0,28 %, der Verstärkung von 10 dB und der Unterdrückung unerwünschter Harmonischer von bis zu 35 dB sind die erzielten Ergebnisse außerdem besser als von einigen Schaltungen aus leistungsfähigeren III-V-Halbleiterprozessen.
Passend zur Mittenfrequenz von 180 GHz am Ausgang des Frequenzversechsfachers, die auch die Mittenfrequenz des IEEE G-Bands ist, werden außerdem integrierte Aufwärts- und Abwärtsmischer entwickelt, die auf der für Kommunikationssysteme vergleichsweise wenig beachteten Sechstor-Architektur basieren. Die Vorteile der Sechstor-Architektur wurden zuvor bereits bei niedrigeren Frequenzen sowohl mit integrierten als auch mit diskret aufgebauten Schaltungen demonstriert. Ein Ziel dieser Arbeit ist die darauf aufbauende Entwicklung und Untersuchung von integrierten I-Q-Mischern mit dieser Architektur für drahtlose Kommunikationssysteme bei 180 GHz in einem 130 nm-BiCMOS-Prozess. Dafür werden geeignete Detektoren und Reflektoren präsentiert, mit denen die Implementierung in diesem Frequenzbereich möglich ist. Mit den erzielten Ergebnissen konnte jeweils der Stand der Technik für integrierte Sechstor-Aufwärts- und -Abwärtsmischer verbessert werden: Im Fall der Sechstor-Aufwärtsmischer stellen die durchgeführten Messungen die erste Verifikation dieser Architektur im Millimeterwellenbereich dar. Auch im Fall der Abwärtsmischer ist die entworfene Schaltung die erste Realisierung bei einer Mittenfrequenz von über 120 GHz. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Sechstor-Architektur im Millimeterwellenbereich für die Anwendung in drahtlosen Übertragungssystemen geeignet ist. Hinsichtlich der HF-Eigenschaften sind die erzielten Ergebnisse vergleichbar mit oder besser als solche, die mit technologisch aufwendigeren und oftmals energieintensiveren Schalter-Mischern, wie z.B. den Gilbert-Mischern, erreicht werden. Darüber hinaus wird anhand von mathematischen Schaltungsanalysen gezeigt, dass sich diese Mischerarchitektur ebenfalls durch ihre gute analytische Modellierbarkeit auszeichnet. Selbst mit stark idealisierten und vereinfachten Modellen kann der Mischgewinn bei 180 GHz mit einer Abweichung zur Messung und zur Simulation von lediglich rund 5 dB berechnet werden.:Kurzfassung
Abstract
Symbolverzeichnis
Vorveröffentlichungen
1. Einleitung
2. Fertigungsprozesse für Schaltungen im Millimeterwellenbereich
2.1. Halbleitertechnologien
2.2. Aufbau- und Verbindungstechnik
2.3. Reduktion von Verlusten mittels Frequenzumsetzung
3. Frequenzmultiplizierer
3.1. Frequenzverdoppler mit Polyphasenfilter
3.2. Frequenzverdoppler mit aktivem und passivem Balun
3.3. Frequenzversechsfacher
3.4. Anwendung in einem Millimeterwellensystem
4. Mischer
4.1. Sechstor-Interferometer
4.2. Sechstor-Abwärtsmischer
4.3. Sechstor-Aufwärtsmischer
5. Zusammenfassung und Ausblick
A. Betragsberechnungen der auslaufenden Wellen des Sechstors
B. Lösung der nichtlinearen Differenzialgleichung
C. Differenzen der Quadrate und Kuben harmonischer Summen
Literaturverzeichnis
Danksagung / In this thesis the design, analysis and verification of integrated circuits for wireless communication systems operating at millimeter waves is presented. During a review of the available manufacturing processes for integrated circuits, printed circuit boards, and interconnects, problems associated with these techniques are identified. Parasitic elements, such as resistors, capacitors, and inductors introduce losses that increase with the signal frequency. This motivates the reduction of the signal frequency wherever possible, so as to reduce these frequency-dependent losses.
To achieve this, millimeterwave up- and downconverting mixers, which are anyway required in wireless systems for the modulation and demodulation of an rf carrier signal, and frequency multipliers for generation of those carrier signals are presented in this thesis. With the frequency multipliers it is possible to generate the carrier signals as spatially close to the mixers as possible, reducing the required length of the connection and the losses and reflecions associated with it. Two frequency doublers and a frequency sixtupler were designed for the conversion of input signals at 30 GHz to output signals at 60 GHz and at 180 GHz, respectively. The designs are focused on an energy-efficient generation of the desired harmonic and a large suppression of other undesired harmonics. In this way, the demonstrated results for the frequency sixtupler at 180 GHz improve the state-of-the-art for both BiCMOS and III-V circuits in terms of power consumption, power added efficiency (PAE), conversion gain and harmonic suppression. With the output frequency at up to 210 GHz and with a dc power consumption of 63 mW, a conversion gain of 10 dB, a PAE of 0.28 %, and a harmonic suppression of 35 dB is reached.
Matching the output frequency of the sixtupler, two quadrature mixers operating at 180 GHz are presented. They are based on the six-port technique, which offers some promising features at millimeter wave frequencies, but is still not very popular for the application in integrated communication systems. Some research has already been conducted on six-port receivers for radar and communication systems operating at lower frequencies, both as integrated circuits and on printed circuit boards. In the case of six-port downconversion mixers, competetive results with discrete III-V diodes and transistors on printed circuit boards were demonstrated, but very little research on integrated realizations has been published to date. One goal of this thesis is therefore to design integrated six-port mixers at 180 GHz and investigate this architecture for the quadrature up- and downconversion in communication systems. Suitable active detectors and reflectors are proposed to enable the implementation of the six-port technique at these frequencies.
In this way, the first implementation of the six-port technique for the upconversion at millimeterwave frequencies is demonstrated. For the downconversion, the rf center frequency at 180 GHz is the highest among six-port implementations to date. The results in terms of rf performance compare well against state-of-the-art switching mixers, such as Gilbert cells. Moreover, the six-port architecture is found to be much simpler in terms of the circuit complexity and it enables the circuit analysis using only simple and idealistic models. With such models, the conversion gain at 180 GHz can be calculated with an error of only about 5 dB. In its minimal realization, a quadrature mixer with a very low dc power consumption can be designed. This makes the six-port technique increasingly attractive as the rf frequency is increased and switching mixers consume a higher dc and rf power.:Kurzfassung
Abstract
Symbolverzeichnis
Vorveröffentlichungen
1. Einleitung
2. Fertigungsprozesse für Schaltungen im Millimeterwellenbereich
2.1. Halbleitertechnologien
2.2. Aufbau- und Verbindungstechnik
2.3. Reduktion von Verlusten mittels Frequenzumsetzung
3. Frequenzmultiplizierer
3.1. Frequenzverdoppler mit Polyphasenfilter
3.2. Frequenzverdoppler mit aktivem und passivem Balun
3.3. Frequenzversechsfacher
3.4. Anwendung in einem Millimeterwellensystem
4. Mischer
4.1. Sechstor-Interferometer
4.2. Sechstor-Abwärtsmischer
4.3. Sechstor-Aufwärtsmischer
5. Zusammenfassung und Ausblick
A. Betragsberechnungen der auslaufenden Wellen des Sechstors
B. Lösung der nichtlinearen Differenzialgleichung
C. Differenzen der Quadrate und Kuben harmonischer Summen
Literaturverzeichnis
Danksagung
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:74886 |
| Date | 14 May 2021 |
| Creators | Rieß, Vincent |
| Contributors | Ellinger, Frank, Issakov, Vadim, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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