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Design of fully integrated 60 GHz OFDM transmitter in SiGe BiCMOS technology

Entwurf eines vollintegrierten 60 GHz OFDM Senders in SiGe BiCMOS Technologie

  • The goal of this thesis is the analysis of the challenges and finding solutions for the design of mm-wave transceivers. The work presented here is focused on design of transmitter (TX) components, which are critical for the performance of the whole analog front-end. Phase-locked loop (PLL) phase noise is optimized, an image-rejection filter and a high 1 dB compression point (P1dB) power amplifier (PA) are designed. The PLL phase noise optimization is presented and different PLL topologies are compared. A new optimized recipe for calculating PLL parameters of a forth order PLL is presented. Using this approach the spurious sidebands can be reduced by up to 10 dB. The image-rejection filter chapter analyzes the challenges related to the design of the integrated image–rejection filter. The analysis presented here is the first on integrated filters for the 60 GHz band, because the previously published work dealt with on-board filters. The main problems related to the design of integrated filters arise from the low quality factor of theThe goal of this thesis is the analysis of the challenges and finding solutions for the design of mm-wave transceivers. The work presented here is focused on design of transmitter (TX) components, which are critical for the performance of the whole analog front-end. Phase-locked loop (PLL) phase noise is optimized, an image-rejection filter and a high 1 dB compression point (P1dB) power amplifier (PA) are designed. The PLL phase noise optimization is presented and different PLL topologies are compared. A new optimized recipe for calculating PLL parameters of a forth order PLL is presented. Using this approach the spurious sidebands can be reduced by up to 10 dB. The image-rejection filter chapter analyzes the challenges related to the design of the integrated image–rejection filter. The analysis presented here is the first on integrated filters for the 60 GHz band, because the previously published work dealt with on-board filters. The main problems related to the design of integrated filters arise from the low quality factor of the integrated resonators. The effects are high insertion loss and low selectivity. Two measures to reduce the insertion loss of the image–rejection filters were suggested. One is to design the filter as broadband. This measure deteriorates selectivity, so the minimum required image–rejection will limit the width of the passband. The second measure is to design the filter as broadband with non-equidistant transmission zeros (i.e. asynchronously tuned filter). This measure will improve both the insertion loss and the image–rejection. The challenges related to the design of mm-wave PAs with high P1dB are analyzed and the procedure of the PA design is presented. The difficulties related to the PA design and layout are discussed and optimum solutions presented. Limits of different power combining techniques for integrated PAs are discussed. Effects of poor on-chip ground connection are analyzed. Different causes for P1dB degradation are analyzed. The produced PA features a differential cascode topology. The layout is symmetrical and presents a virtual ground on the symmetry line for the differential signal. The optimized schematic and a symmetrically drawn layout resulted in a 17 dBm measured P1dB. It was the highest reported P1dB in 60 GHz SiGe PAs when it was published. The fully integrated TX was used for data transmission with data rate of 3.6 Gbit/s (with coding 4.8 Gbit/s) over 15 meters. This is the best result in the class of 60 GHz AFEs without beamforming.show moreshow less
  • Das Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Anforderung an mm-Wellen Funksysteme und das Aufzeigen von Lösungswegen zum erfolgreichen Entwurf solcher integrierten Systeme in SiGe Technologie. In der hier vorgelegten Arbeit untersuchte ich schwerpunktmäßig den Entwurf von Sender Komponenten, welche entscheidend für die Leistungsfähigkeit des gesamten HF-Funksystems sind. Das Phasenrauschen der Phasenregelschleife (PLL) wurde optimiert, Spiegelfrequemzfilter und Leistungsverstärker mit hohem 1 dB Kompressions-Punkt (P1dB) wurden entworfen und als integriertes Senderchip hergestellt. Es werden hier Verfehren zur Optimierung des PLL Phasenrauschens dargestellt und verschiedene PLL Topologien verglichen. Ein neues optimiertes Verfahren zur Berechnung der Parameter einer PLL vierter Ordnung wird vorgestellt. Die Anwendung dieses Verfahrens ermöglichte es, die unerwünschten PLL Seitenbänder um bis 10 dB zu verringen. Im Kapitel Spiegelfrequenzfilter werden die Herausforderungen an den Entwurf von integrierten SpiegelfrequenzfilternDas Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Anforderung an mm-Wellen Funksysteme und das Aufzeigen von Lösungswegen zum erfolgreichen Entwurf solcher integrierten Systeme in SiGe Technologie. In der hier vorgelegten Arbeit untersuchte ich schwerpunktmäßig den Entwurf von Sender Komponenten, welche entscheidend für die Leistungsfähigkeit des gesamten HF-Funksystems sind. Das Phasenrauschen der Phasenregelschleife (PLL) wurde optimiert, Spiegelfrequemzfilter und Leistungsverstärker mit hohem 1 dB Kompressions-Punkt (P1dB) wurden entworfen und als integriertes Senderchip hergestellt. Es werden hier Verfehren zur Optimierung des PLL Phasenrauschens dargestellt und verschiedene PLL Topologien verglichen. Ein neues optimiertes Verfahren zur Berechnung der Parameter einer PLL vierter Ordnung wird vorgestellt. Die Anwendung dieses Verfahrens ermöglichte es, die unerwünschten PLL Seitenbänder um bis 10 dB zu verringen. Im Kapitel Spiegelfrequenzfilter werden die Herausforderungen an den Entwurf von integrierten Spiegelfrequenzfiltern analysiert. Die hier dargestellte Analyse ist die erste für integrierte Filter im 60 GHz Frequenzbereich. Bisherige Veröffentlichungen basierten auf Dünnfilmtechnologiefilter. Die Hauptprobleme bezüglich des Entwurfs integrierter Filter basieren auf dem geringen Gütefaktor der integrierbaren Resonatoren. Die Folgen sind hohe Durchgangsdämpfung und geringe Selektivität. Zwei Methoden zur Verringerung der Durchgangsdämpfung werden dargestellt. Eine besteht im Entwurf dieser Filter als Breitbandfilter. Diese Methode verringert die Selektivität, so dass die minimal geforderte Unterdrückung der Spiegelfrequenz die Bandbreite begrenzt. Die zweite Methode besteht darin, den Filter als Breitband mit nicht-äquidistanten Transmissions-Nullstellen zu entwerfen. Diese Methode verbessert gleichzeitig die Durchgangsdämpfung und die Unterdrückung der Spiegelfrequenz. Die Anforderungen an den Entwurf von mm-Wellen Leistungsverstärkern mit hohem P1dB werden analysiert und ein Entwurfsverfahren für einen Leistungsverstärker wird dargelegt. Die Schwierigkeiten bezüglich des Designs und Layoutentwurfs des Leistungsverstärkers werden diskutiert und optimierte Lösungswege werden dargestellt. Die Grenzen verschiedener Richtkopplungstechniken für integrierte Leistungsverstärker werden präsentiert. Die Effekte schwacher Masseverbindungen auf dem Chip werden analysiert. Verschiedene Ursachen für P1dB Degradation werden untersucht. Der hergestellte Leistungsverstärker hat eine differentielle Kaskode Topologie. Sein Layout ist symmetrisch und besitzt eine virtuelle Masse an der Symmetrielinie für das differentielle Signal. Das optimizierte Schaltbild und das symmetrisch entworfene Layout führten zu einem gemessenen P1dB von 17 dBm. Das war der höchste bisher veröffentlichte P1dB bei 60 GHz für einen Leistungsverstärker in SiGe Technologie, als die Meßergebnisse publiziert wurden. Der vollintegrierter Sender wurde für eine Datenübertragung über 15 m mit einer Datenrate von 3,6 Gbit/s (mit Kodierung 4,8 Gbit/s) verwendet. Das ist das beste Ergebnis in der Klasse der 60 GHz Funksysteme ohne Beamforming.show moreshow less

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Metadaten
Author: Srđan Glišić
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22062
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Rolf Kraemer
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2010
Date of final exam:2010/12/16
Release Date:2011/06/15
Tag:60 GHz; Leistungsverstärker; OFDM; Sender; SiGe
60 GHz; OFDM; Power Amplifier; SiGe; Transmitter
GND Keyword:OFDM; Hochfrequenztechnik
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Systeme
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Systeme
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