Experimental Demonstration of mm-Wave 5G NR Photonic Beamforming Based on ORRs and Multicore Fiber

[EN] A photonic beamformer system designed for nextgeneration 5G new radio (5G NR) operating in the millimeter waveband is proposed and demonstrated experimentally, including its performance characterization. The photonic beamforming device is based on optical ring resonators (ORRs) implemented on Si3N4 and assisted with multicore fiber (MCF) to feed different antenna elements (AEs). Fast-switching configuration of the ORRs is performed changing the operating wavelength, as tuning the wavelength modifies the coupling coefficient of the rings and, consequently, the induced time delay. Multibeam operation is evaluated at 17.6- and 26-GHz radio keeping the ORRs¿ configuration. The beamforming performance is evaluated using single-carrier signals with up to 128 quadrature amplitude modulation over up to 4.2-GHz electrical bandwidth. The experimental beamforming system with two AEs provides up to 21 Gb/s per user, while the beamforming system with four AEs provides up to 16.8 Gb/s per user. Wireless transmission confirms that changing the wavelength from 1545.200 to 1545.195 nm modifies the beam steering from 11.3° to 23° with 26-GHz signals (5G NR pioneer band in Europe).This work was supported in part by the Fundacion BBVA Leonardo HYPERCONN Project, in part by the Spain National Plan under Grant MINECO/FEDER UE TEC2015-70858-C2-1-R XCORE and Grant GVA AICO/2018/324 NXTIC, and in part by the Dutch FreeBEAM projects. The work of M. Morant was supported by Spain Juan de la Cierva under Grant IJCI-2016-27578. The work of A. Trinidad was supported by Dutch NWO Zwaartekracht Integrated Nanophotonics.Morant, M.; Trinidad, A.; Tangdiongga, E.; Koonen, T.; Llorente, R. (2019). Experimental Demonstration of mm-Wave 5G NR Photonic Beamforming Based on ORRs and Multicore Fiber. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 67(7):2928-2935. https://doi.org/10.1109/TMTT.2019.28944022928293567

Radio Frequency and Millimeter Wave Circuit Component Design with SiGe BiCMOS Technology

The objective of this research is to study and leverage the unique properties and advantages of silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistor (HBT) integrated circuit technologies to better design radio frequency (RF) and millimeter wave (mm-wave) circuit components. With recent developments, the high yield and modest cost silicon-based semiconductor technologies have proven to be attractive and cost-effective alternatives to high-performance III-V technology platforms. Between SiGe bipolar complementary metal-oxide-semiconductor (BiCMOS) technology and advanced RF complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology, the fundamental device-level differences between SiGe HBTs and field-effect transistors (FETs) grant SiGe HBTs clear advantages as well as unique design concerns. The work presented in this dissertation identifies several advantages and challenges on design using SiGe HBTs and provides design examples that exploit and address these unique benefits and problems with circuit component designs using SiGe HBTs.Ph.D

New Architectures for Low Complexity Scalable Phased Arrays

Inspired by the unique advantages of phased arrays in communication and radar systems, i.e. their capability to increase the channel capacity, signal-to-noise ratio, directivity, and radar resolution, this dissertation presents novel architectures for low-complexity scalable phased arrays to facilitate their widespread use in commercial applications. In phased arrays, phase shifters are one of the key components responsible for adjusting the signal phase across the array elements. In general, phase shifters and their control circuitry play a significant role in determining the complexity and size of conventional phased arrays. To reduce phased arrays’ complexity and size without degrading their performance, two new circuit architectures for scalable phased arrays with a significantly reduced number of phase shifters and control signals are presented. These architectures can be utilized for designing phased arrays in receive as well as transmit mode. The phased arrays designed based on the proposed architectures are intended for applications such as 5G communications and automotive radars for advanced driver assistance systems (ADAS) and autonomous vehicles.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/147494/1/noyan_1.pd

CMOS Front-End Circuits in 45-nm SOI Suitable for Modular Phased-Array 60-GHz Radios

Next Fifth-generation (5G) wireless technologies enabling ultra-wideband spectrum availability and increased system capacity can achieve multi-gigabit/s (Gbps) data rates suitable for ultra-high-speed internet access around the 60-GHz band (i.e., Wi-Gig Technology). This mm-wave band is unlicensed and experiences high propagation power losses. Therefore, it is suitable for short-range communications and requires antenna arrays to satisfy the link budget requirements. Half-duplex reconfigurable phased-array transceivers require wideband, low-cost, highly integrated front-end circuits such as bilateral RF switches, low-noise/power amplifiers, passive RF splitters/combiners, and phase shifters implemented in deep sub-micron CMOS. In this dissertation, analysis, design, and verification of essential CMOS front-end components are covered and fabricated in GlobalFoundries 45-nm RF-SOI CMOS technology. Firstly, a fully-differential, single-pole, single-throw (SPST) switch capable of high isolation in broadband CMOS transceivers is described. The SPST switch realizes better than 50-dB isolation (ISO) across DC to 43 GHz while maintaining an insertion loss (IL) below 3 dB. Measured RF input power for 1-dB compression (IP1dB) of the IL is +19.6 dBm, and the measured input third-order intercept point (IIP3) is +30.4 dBm (both assuming differential inputs at 20 GHz). The prototype has an active area of 0.0058 mm^2. Secondly, a single-pole double-throw (SPDT) switch is implemented using the SPST concept by using a balun to convert the shared differential path to a single-ended antenna port. The SPDT simulations predict less than 3.5-dB IL and greater than 40-dB ISO across 55 to 65 GHz frequency band. An IP1dB of +21 dBm is expected from large-signal simulations. The prototype has an active area of 0.117 mm^2. Thirdly, a fully-differential switched-LC topology adopted with slow-wave artificial transmission line concept, and phase inversion network is described for a 360-degree phase shift range with 11.25-degree phase resolution. The average IL of the complete phase shifter is 5.3 dB with less than 1-dB rms IL error. Furthermore, the IP1dB of the phase shifter is +16 dBm. The prototype has an active area of 0.245 mm^2. Lastly, a fully-differential, 2-stage, common-source (CS) low-noise amplifier (LNA) is developed with wideband matching from 57.8 GHz to 67 GHz, a maximum simulated forward power gain of 20.8 dB, and a minimum noise figure of 3.07 dB. The LNA consumes 21 mW and predicts an OP1dB of 4.8 dBm from the 1-V supply. The LNA consumes an active area of 0.028 mm^2

Schaltungen zur Frequenzumsetzung für drahtlose Übertragungssysteme im Millimeterwellenbereich

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 DanksagungIn 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 Danksagun