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Slow wave resonator based tunable multi‐band multi‐mode injection‐locked oscillators

Multiband multimode Injection-locked Oszillatoren mit Slow-Wave Resonatoren

  • In modern information technology, increasingly powerful electronic circuits are required for the targeted generation of complex signals with well-defined amplitudes and phases. In circuits of this type, oscillators frequently form the central element because of its phase noise and stability, which essentially determines the achievable precision in the signal generation. Further requirements are derived from the electronic definability of the signal properties and the operational behavior of the oscillators. Conventional oscillator circuit models autonomous circuits, mainly consist of a passive frequency-selective or phase-selective network and an active amplifier element, which together produce an oscillatory circuit via a suitable feedback. At first glance, the circuit topology seems to be quite simple, and can often be explained quite visibly. However, when it comes to describing in particular the very important phase noise dynamics and stability of oscillators, it very soon becomes apparent that highly complex structures areIn modern information technology, increasingly powerful electronic circuits are required for the targeted generation of complex signals with well-defined amplitudes and phases. In circuits of this type, oscillators frequently form the central element because of its phase noise and stability, which essentially determines the achievable precision in the signal generation. Further requirements are derived from the electronic definability of the signal properties and the operational behavior of the oscillators. Conventional oscillator circuit models autonomous circuits, mainly consist of a passive frequency-selective or phase-selective network and an active amplifier element, which together produce an oscillatory circuit via a suitable feedback. At first glance, the circuit topology seems to be quite simple, and can often be explained quite visibly. However, when it comes to describing in particular the very important phase noise dynamics and stability of oscillators, it very soon becomes apparent that highly complex structures are involved. A fundamental difficulty in the theoretical description arises due to the non-linear behavior of oscillators, the understanding of which is crucial for a reliable description of jitter and oscillator phase noise. The resonant condition of oscillators arises due to the fact that the noise in the oscillator circuit is always present in the system, which is amplified in a frequency-selective manner to the extent that a stable oscillation arises at most at a fixed frequency because of non-linear limitation of the amplification. The frequency selectivity arises due to the frequency selectivity or phase selectivity of the passive feedback path. The non-linear limitation of the amplification in the oscillator normally results in a very reliable control of the amplitude noise of the output oscillation. It is well understood that any particular oscillator’s phase noise could be improved by increasing the generated signal amplitude or increasing the quality factor of the resonant network. Increasing the signal level is limited by the utilized supply voltage or the break down limits of transistors and cannot be increased further to improve the phase noise. Accordingly, the remaining phase noise, which can normally be minimized via resonating circuits with pronounced phase selectivity and therefore a high quality factor resonator, is of great importance for oscillators. Traditional high Q-factor resonators (ceramic resonator, surface acoustic wave, bulk acoustic wave, dielectric resonator, YIG resonator, Whispering gallery mode resonator, Optoelectronic resonator, etc.) are usually 3-dimensional structures and bulky for both handheld and test-measurement equipments and does not offer integration using current foundry technology. The current and later generation wireless communication market is pushing the need for miniaturization to its limits. Printed coupled transmission line resonator is a promising alternative due to its ease of integration and compatibility with planar fabrication processes but limited by its large physical size and low quality factor, making it a challenging choice to design low phase-noise oscillators. This problem is more prominent in integrated circuits (ICs) where high degrees of thin conductor losses reduce the quality factor by orders of magnitude compared to hybrid circuit technologies. This thesis describes the design and investigation of a variation of printed resonators using Möbius slow-wave and Metamaterial structures for the applications in oscillator circuits. A novel Möbius slow-wave mode-coupled structure offers additional degrees of freedom (higher Q-factor and multi-band characteristics for a given physical size) as compared to conventional transmission line printed resonators. A design study has been carried out to optimize the phase noise performance by using the novel resonant structures (mode-coupled, slow-wave, Möbius strips, evanescent mode, negative index material-Metamaterial) in conjunction with mode locking and injection locking for improving the overall performances, beyond the limits imposed by conventional limitations. The thesis also covers a broad spectrum of research on DRO and OEO ranging from practical aspects of circuit implementation and measurement, including the modeling of optical fiber delay line used as a thermally stable high Q-factor resonator structure. This thesis is research work carried out from 2004-2014, organized in 11 chapters, theoretical and experimental results documented by a range of specific measurement results and substantiated by over 200 scientific publications over dozen patents. The Metamaterial Möbius technology discussed in this thesis can open new era in the field of imaging, sensors, cloaking, energy harvesting and energy efficient microwave circuit and system Solutions.show moreshow less
  • Die moderne Informationstechnologie benötigt immer leistungsfähigere elektronische Schaltungen, um komplexe Signale in Betrag und Phase in hoher Güte generieren zu können. Ein zentrales Bauteil dieser Kommunikationssysteme sind Oszillatoren, deren Phasenrauschen und -Stabilität die erreichbare Präzision der Signalgewinnung wesentlich bestimmen. Weitere Anforderungen können aus den elektrischen Eigenschaften der Signale und dem Betriebsverhalten der Oszillatoren abgeleitet werden. Konventionelle Modelle autonomer Oszillatorschaltungen beruhen in der Regel auf einem passiven frequenz- oder phasenselektiven Netzwerk und einem aktiven Verstärker, die durch Rückkopplung zum Schwingen gebracht werden. Auf den ersten Blick erscheint dieses Konzept einfach und leicht erklärbar zu sein. Im Hinblick jedoch zum Beispiel auf die sehr wichtigen Aspekte des Phasenrauschens und der Stabilität von Oszillatoren wird schnell deutlich, wie komplex diese dynamischen in Wirklichkeit Prozesse sind. Eine grundlegende Schwierigkeit für die theoretischeDie moderne Informationstechnologie benötigt immer leistungsfähigere elektronische Schaltungen, um komplexe Signale in Betrag und Phase in hoher Güte generieren zu können. Ein zentrales Bauteil dieser Kommunikationssysteme sind Oszillatoren, deren Phasenrauschen und -Stabilität die erreichbare Präzision der Signalgewinnung wesentlich bestimmen. Weitere Anforderungen können aus den elektrischen Eigenschaften der Signale und dem Betriebsverhalten der Oszillatoren abgeleitet werden. Konventionelle Modelle autonomer Oszillatorschaltungen beruhen in der Regel auf einem passiven frequenz- oder phasenselektiven Netzwerk und einem aktiven Verstärker, die durch Rückkopplung zum Schwingen gebracht werden. Auf den ersten Blick erscheint dieses Konzept einfach und leicht erklärbar zu sein. Im Hinblick jedoch zum Beispiel auf die sehr wichtigen Aspekte des Phasenrauschens und der Stabilität von Oszillatoren wird schnell deutlich, wie komplex diese dynamischen in Wirklichkeit Prozesse sind. Eine grundlegende Schwierigkeit für die theoretische Untersuchung besteht darin, dass es sich um nichtlineare Vorgänge handelt, deren Verständnis für die Beschreibung von Jitter und Phasenrauschen unabdingbar ist. Das im System präsente Rauschen ist letztendlich die Ursache für das Anschwingen des Oszillators, wenn es verstärkt und frequenzselektiv rückgekoppelt wird, bis die Amplitude des Signals wegen der Nichtlinearitäten des Verstärkers begrenzt wird. Die Frequenzselektivität wird dabei durch die Frequenz- oder Phasenselektivität der Rückkopplung bestimmt. Amplitudenrauschen wird dem hingegen in der Regel durch nichtlineare Sättigung des Verstärkers begrenzt und ist gut kontrollierbar. Bekanntlich kann das Phasenrauschen eines Oszillators verbessert werden, indem entweder der Signalpegel erhöht oder die Güte des Resonanzkreises verbessert wird. Eine Erhöhung des Signalpegels findet ihre Begrenzung in der verfügbaren Versorgungsspannung oder der Durchbruchsspannung der Transistoren. Daher kommt der Frequenzselektivität, oder Güte, des Resonators entscheidende Bedeutung zu. Traditionelle hochgütige Resonatoren wie z.B. dielektische, YIG, Whispering Gallery oder optoelektronische Resonatoren sind diskrete Bauelemente, zu unhandlich für den mobilen Einsatz und einer Integration in übliche Schaltungstechnologien nicht zugänglich. Die Mobilkommunikation hingegen verlangt nach immer weiterer Miniaturisierung. Einfach in gängige Schaltungstechnologien zu integrieren sind gekoppelte Leitungsresonatoren, die aber ebenfalls große Strukturen darstellen und nur geringe Güten realisieren lassen. Diese Schwierigkeiten verstärken sich noch, wenn Leitungsresonatoren in integrierten Schaltungen zum Einsatz kommen sollen. Aufgrund der dünnen verlustbehafteten Leitungen sind die erreichbaren Güten auf dem Chip um Größenordnungen schlechter als bei hybriden Technologien. So bleiben Resonatoren für Oszillatoren nach wie vor Gegenstand der Forschung. In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze für planare Leitungsresonatoren für Oszillatoranwendungen vorgestellt und untersucht, die auf innovativen Konzepten von Slow-Wave Möbius und Metamaterial-Topologien beruhen. Die neue auf einer Möbius-Schleife basierende Topologie eines Slow-Wave moden-gekoppelten Resonators eröffnet neue Freiheitsgrade (höhere Güte und multi-band-Resonanz bei reduzierten Abmaßen) verglichen zu konventionellen planaren Leitungsresonatoren. Diese Arbeit stellt einen Ansatz vor zur Optimierung des Phasenrauschens eines Oszillators unter Verwendung neuartiger Resonatorstrukturen (basierend auf Modenkopplung, slow-wave und evaneszenten Moden, Möbius und linkshändigen Metamaterial Konzepten) verbunden mit Mode-Locking und Injection-Locking-Konzepten, der eine deutliche Verbesserung der Oszillatoreigenschaften gegenüber konventionellen Konzepten ermöglicht. Zudem wird ein breites Spektrum von Untersuchungen von DRO- und OEO-basierten Oszillatoren behandelt, vom praktischen Aspekt des Schaltungsaufbaus und der Messung bis hin zur Modellierung von optischen Verzögerungsleitungen, die als thermisch stabile Resonatoren hoher Güte einsetzbar sind. Die Arbeit behandelt Forschungsergebnisse, die in den Jahren 2004-2014 erzielt worden sind in 11 Kapiteln. Theoretische Untersuchungen wurden experimentell verifiziert. Im Zuge dieser Arbeit wurden über 200 wissenschaftliche Publikationen veröffentlicht und mehr als ein Dutzend Patente angemeldet. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz für Metameterial-Möbius-Resonatoren kann eine neue Ära in der Gebieten bildgebender Radare, der Sensorik, der Tarnkappentechnik, des Energy Harvesting und der energieeffizienten Mikrowellenschaltungen und Systeme eröffnen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Ajay Poddar
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31936
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Matthias Rudolph
Document Type:Habilitation thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Date of final exam:2014/04/22
Release Date:2014/11/26
Tag:Möbius; Oszillator; Phasenrauschen; Resonator
Möbius; Oscillator; Phase noise; Resonator
GND Keyword:Oszillatorschaltung; Resonator
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / Stiftungsprofessur Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / Stiftungsprofessur für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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