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    <id>7121</id>
    <completedYear>2025</completedYear>
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    <completedDate>2025-07-17</completedDate>
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    <thesisDateAccepted>2025-07-08</thesisDateAccepted>
    <title language="eng">Mathematical analysis, design, and validation of a high dynamic range, low noise differential mixer using SiGe microwave transistors</title>
    <title language="deu">Mathematische Analyse, Entwurf und Validierung eines differentiellen Mischers mit hohem Dynamikbereich und geringem Rauschen unter Verwendung von SiGe-Mikrowellen Transistoren</title>
    <abstract language="eng">The limits imposed by the wireless environment require the designer to consider noise, linearity, and power consumption. Bipolar technology has been the most appealing silicon technology due to its high-speed performance and well-engineered base parasitics. Its high transition frequency and low base resistance have resulted in remarkable noise performance. These advantages, combined with scaling flexibility, have made bipolar devices the fundamental component of silicon RF front-ends. With the growing demand for high-performance wireless applications from satellite and radar systems to 5G infrastructure, there is a strong need for advanced mixer architectures that can deliver high isolation, gain, and low noise across wide frequency ranges. The purpose of this dissertation was to describe the differential mixer and its mathematical properties in terms of gain and noise figure, and to explore further optimizations. In fact, it turned out that the mixer design was greatly improved in terms of both the noise figure and the intercept point. The active double-balanced down-conversion mixer is built on SiGe technology. The circuit exhibits significant improvement in terms of the mixer’s other performance parameter metrics.&#13;
This dissertation presents a novel SiGe HBT-based differential double-balanced down-conversion mixer featuring significantly enhanced conversion gain, noise performance, linearity, dynamic range, and port-to-port isolation. Compared to existing designs, this mixer delivers outstanding performance, achieving a single-sideband (SSB) noise figure of 7 dB ± 0.4 dB, a conversion gain of 12 dB ± 1 dB, and exceptional isolation metrics RF-to-IF isolation greater than 35 dB, with LO-to-RF and LO-to-IF isolation exceeding 50 dB across the 0.5 GHz to 1.8 GHz frequency range. Furthermore, it has an Input third-order intercept point (IP3) of +4.7 dBm, an output third-order intercept point (OIP3) of +15 dBm, and a 1 dB compression point of –8 dBm. This high-performance down-conversion double-balanced mixer integrates several state-of-the-art innovations. A transformer-free single-ended-to-differential conversion enhances efficiency and eliminates unnecessary components at the RF stage. The dual-feedback linearization technique optimizes impedance matching while suppressing nonlinear distortion, ensuring superior linearity. Additionally, symmetrical active device layout and advanced multilayer PCB technology significantly mitigate LO-to-RF feedthrough, reducing crosstalk and maximizing port-to-port isolation.&#13;
These advancements collectively result in a highly efficient, low-noise, and exceptionally linear mixer architecture, setting a new benchmark in SiGe HBT-based mixer technology rather than relying on noisy CMOS technology. Due to its higher fabrication complexity, lower yield at advanced nodes, and the necessity for more complicated design tactics in high-frequency applications, CMOS technology in small quantities is ultimately more costly than SiGe HBT-based designs. Although CMOS excels in low-power applications and large-scale digital integration, SiGe HBT remains a reasonably affordable option for high-performance RF</abstract>
    <abstract language="deu">Die durch drahtlose Umgebungen gesetzten Grenzen erfordern von Entwicklern die Berücksichtigung von Rauschverhalten, Linearität und Energieverbrauch. Bipolare Technologien haben sich aufgrund ihrer Hochgeschwindigkeitsleistung und optimierten Basisparasitiken als besonders attraktive Siliziumtechnologie erwiesen. Ein hoher transitfrequenz sowie ein niedriger Basiswiderstand führen zu exzellentem Rauschverhalten. Diese Vorteile, kombiniert mit der Skalierbarkeit, machen bipolare Bauelemente zu einer Schlüsselkomponente moderner Silizium-RF-Frontends. Mit dem wachsenden Bedarf an Hochleistungs-Wireless-Anwendungen – von Satelliten- und Radarsystemen bis hin zur 5G-Infrastruktur steigt die Nachfrage nach fortschrittlichen Mischerarchitekturen, die hohe Isolation, Verstärkung und geringe Rauschwerte über einen weiten Frequenzbereich ermöglichen.&#13;
Ziel dieser Dissertation war es, den Differenzmischer und seine mathematischen Eigenschaften hinsichtlich Verstärkung und Rauschmaß zu analysieren und weitere Optimierungsmöglichkeiten zu untersuchen. Der aktive, doppelt balancierte Abwärtsmischer basiert auf SiGe-Technologie und zeigt signifikante Verbesserungen bei weiteren wichtigen Leistungsparametern. Diese Arbeit stellt einen neuartigen differenziellen, doppelt balancierten Abwärtsmischer auf Basis von SiGe-HBTs vor, der eine signifikant verbesserte Umwandlungsverstärkung, Rauschleistung, Linearität, Dynamikbereich sowie Port-zu-Port-Isolation bietet. Im Vergleich zu bestehenden Designs erreicht dieser Mischer herausragende Leistungswerte: eine Single-Sideband-Rauschzahl (SSB) von 7 dB ± 0,4 dB, einen Umwandlungsgewinn von 12 dB ± 1 dB sowie exzellente Isolationswerte – eine RF-zu-IF-Isolation von über 35 dB sowie LO-zu-RF- und LO-zu-IF-Isolationen von jeweils über 50 dB im Frequenzbereich von 0,5 bis 1,8 GHz. Darüber hinaus weist der Mischer einen Eingangs-Drittordnungs-Abfangpunkt (IP3) von +4,7 dBm, einen Ausgangs-IP3 von +15 dBm und einen 1-dB-Kompressionspunkt von –8 dBm auf. Der Mischer integriert mehrere moderne Innovationen: Eine transformatorfreie Single-Ended-zu-Differential-Konversion erhöht die Effizienz und reduziert Bauteile im HF-Zweig. Die duale Rückkopplungs-Linearisierung verbessert die Impedanzanpassung und unterdrückt nichtlineare Verzerrungen – für eine exzellente Linearität. Darüber hinaus minimieren eine symmetrische Anordnung aktiver Bauelemente sowie fortschrittliche Multilayer-PCB-Technologie die LO-zu-RF-Durchkopplung, verringern Übersprechen und maximieren die Port-zu-Port-Isolation.&#13;
Das Ergebnis ist eine effiziente, rauscharme und lineare Mischerarchitektur, die neue Maßstäbe in der SiGe-HBT-Technologie setzt. Im Vergleich zu CMOS – das in kleinen Stückzahlen aufgrund hoher Komplexität und niedriger Ausbeute kostspieliger ist – bietet SiGe-HBT bei RF- und Analogschaltungen überlegene Leistung zu geringeren Kosten.</abstract>
    <identifier type="doi">10.26127/BTUOpen-7121</identifier>
    <identifier type="urn">urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-71216</identifier>
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    <licence>Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.</licence>
    <author>Trusha Kared</author>
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      <value>Down-conversion double balanced mixer</value>
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      <value>Rauschmessung</value>
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    <collection role="ddc" number="621">Angewandte Physik</collection>
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    <thesisPublisher>BTU  Cottbus - Senftenberg</thesisPublisher>
    <thesisGrantor>BTU Cottbus - Senftenberg</thesisGrantor>
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