Highly Integrated Microwave Vector Network Analysis Circuits and Systems for Instrumentation and Sensing Applications

Mikrowellenschaltungen und -systeme für die hochintegrierte vektorielle Netzwerkanalyse zur Anwendung in der Messtechnik und Sensorik

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-82565
  • This thesis addresses the topic of highly integrated vector network analysis. Due to its significant contribution to technological advances in the past and its presently high potential regarding instrumentation and biomedical sensing applications, the technique of network analysis plays a key role in microwave and wireless engineering. However, the application of network analyzers is frequently limited due to the size, weight and cost of the instruments. For this reason, the potential and feasibility of the VNA-on-chip is evaluated. Therefore, theoretical and practical studies were performed by means of narrow-band microwave reflectometers with different degrees of integration. After aThis thesis addresses the topic of highly integrated vector network analysis. Due to its significant contribution to technological advances in the past and its presently high potential regarding instrumentation and biomedical sensing applications, the technique of network analysis plays a key role in microwave and wireless engineering. However, the application of network analyzers is frequently limited due to the size, weight and cost of the instruments. For this reason, the potential and feasibility of the VNA-on-chip is evaluated. Therefore, theoretical and practical studies were performed by means of narrow-band microwave reflectometers with different degrees of integration. After a successful proof of concept, a chipset dedicated to a highly integrated 4-32 GHz 2-port vector network analyzer is developed in silicon germanium (SiGe) technology. The chipset can be utilized for the implementation of a heterodyne network analyzer and features a stimulus signal generator with integrated switch and a four-channel receiver chip. In a further step, a fully integrated RF frontend is demonstrated, including on-chip directive elements. In combination with a modular hardware demonstrator, the assembly serves as a miniaturized 2-port vector network analyzer from 4 GHz to 32 GHz. The measured 2 x 2 S-matrices show an excellent agreement with the results obtained by commercial measurement equipment. The measurements are highly repeatable and the drift over time is negligible. Furthermore, highly integrated network analyzers were applied to biomedical scenarios. For this purpose, a reflection based analyzer with external probe as well as a transmission based one with an on-chip sensor are presented and compared to an alternative sensing system.show moreshow less
  • Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema der integrierten vektoriellen Netzwerkanalyse. Das Messverfahren der Netzwerkanalyse ermöglichte nicht nur in der Vergangenheit bedeutende technologische Fortschritte in der Hochfrequenztechnik sondern wird auch zukünftig aufgrund seines hohen Potenzials in messtechnischen und biomedizinischen Applikationen von zentraler Bedeutung sein. Allerdings ist die Anwendung von Netzwerkanalysatoren in vielen Szenarien aufgrund der Größe, des Gewichts und der Kosten der Geräte nur eingeschränkt möglich. Aus diesem Grund werden im Rahmen dieser Arbeit die Machbarkeit und das Potenzial des Konzepts VNA-On-Chip untersucht. Zu diesem Zweck werdenDie vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema der integrierten vektoriellen Netzwerkanalyse. Das Messverfahren der Netzwerkanalyse ermöglichte nicht nur in der Vergangenheit bedeutende technologische Fortschritte in der Hochfrequenztechnik sondern wird auch zukünftig aufgrund seines hohen Potenzials in messtechnischen und biomedizinischen Applikationen von zentraler Bedeutung sein. Allerdings ist die Anwendung von Netzwerkanalysatoren in vielen Szenarien aufgrund der Größe, des Gewichts und der Kosten der Geräte nur eingeschränkt möglich. Aus diesem Grund werden im Rahmen dieser Arbeit die Machbarkeit und das Potenzial des Konzepts VNA-On-Chip untersucht. Zu diesem Zweck werden theoretische und praktische Studien anhand schmalbandiger, vektorieller Reflektometer mit unterschiedlichen Graden der Integration durchgeführt. Nach der erfolgreichen Bestätigung des Konzepts wird die Entwicklung eines Chipsatzes für einen integrierten 2-Tor-Netzwerkanalysator von 4 GHz bis 32 GHz in einer SiGe- Technologie erläutert. Dieser Chipsatz dient der Realisierung eines heterodynen Netzwerkanalysators und besteht aus einem Signalgenerator (Stimulus) mit integriertem Schalter und einem 4-Kanal-Empfänger. Im Weiteren wird ein voll integriertes RF-Frontend inklusive der integrierten Richtkoppler präsentiert. In Kombination mit einem modularen Demonstratorsystem dient der Aufbau als ein miniaturisierter, vektorieller 2-Tor Netzwerkanalysator mit einer Bandbreite von 4 GHz bis 32 GHz. Die damit gemessene 2x2-Streumatrix stimmt hervorragend mit Messungen überein, die mit kommerziell erhältlichen Geräten ermittelt wurden. Die Messungen sind stabil wiederholbar und der transiente Drift ist vernachlässigbar. Darüber hinaus wurden hoch integrierte Netzwerkanalysatoren in biomedizinisch relevanten Szenarien eingesetzt. Zu diesem Zweck wurde ein auf Reflexionsmessung basierender Analysator mit einem externen Sensor und ein auf Transmission basierendes Instrument mit einem integrierten Sensor implementiert. Beide Ansätze werden mit einem alternativen Messsystem verglichen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Johannes Nehring
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-82565
ISBN:978-3-96147-010-5
Series (Volume number):FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik (15)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Referee:Robert Weigel, Arne Jacob, Dietmar Kissinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Embargo Date:2017/02/21
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2016/07/15
Release Date:2017/02/22
Tag:Heterodyne Empfänger; Hochfrequenzschaltungstechnik; Mikrowellensensorik; Multi-oktaven Bandbreite; Vektorielle Netzwerkanalyse
Heterodyne Receivers; High Frequency Circuit Design; Integrated Circuits; Microwave Sensors; Multi-octave bandwidth; Vector Network Analysis
SWD-Keyword:Hochfrequenzschaltung; Integrierte Schaltung; Netzwerkanalyse
Pagenumber:xv, 131 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-009-9
Institutes:Technische Fakultät / Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 3.0