Silicon-Organic Hybrid (SOH) and Plasmonic-Organic Hybrid (POH) integration

Silicon photonics offers tremendous potential for inexpensive high-yield photonic-electronic integration. Besides conventional dielectric waveguides, plasmonic structures can also be efficiently realized on the silicon photonic platform, reducing device footprint by more than an order of magnitude. However, nei-ther silicon nor metals exhibit appreciable second-order optical nonlinearities, thereby making efficient electro-optic modulators challenging to realize. These deficiencies can be overcome by the concepts of silicon-organic hybrid (SOH) and plasmonic-organic hybrid integration, which combine SOI waveguides and plasmonic nanostructures with organic electro-optic cladding materials

An x-band RFIC active phase shifter

Abstract— An active RFIC X-band phase shifter is implemented using IHP SiGe HBT 0.25 μm SGB25V technology with an improved vector sum method. The chip is formed by a three way Wilkinson power divider, three phase delays for 0-120-240 degrees, three similar RFIC LNAs and a final three way Wilkinson power combiner on the same chip and occupies an area of 4x1.8 mm2. The circuit provides both phase and amplitude control without the need of any additional digital circuitry. Phase shifting is simply based on the weighted vector sum of three vectors which are separated by 120º from each other. All 0-360 degree phase can be scanned simply by this method with the addition of amplitude control. The RFIC LNA circuit is fabricated and measurement results show that LNA has a gain of 10 - 13 dB with in the band of 6-9 GHz and 2-3 dB NF within the same band. The simulation results show that the phase can be scanned from 0-360 degrees with average 7 degree resolution for a 2 dB amplifier gain change. The gain of the overall active phase shifter circuit is 12-13 dB with output gain flatness is 1 dB and the circuit consumes 15.36 mW power. The circuit combines the amplifier with phase shifter and can be used for X-band applications

DAC-Less amplifier-less generation and transmission of QAM signals using sub-volt silicon-organic hybrid modulators

We demonstrate generation and transmission of optical signals by directly interfacing highly efficient silicon-organic hybrid (SOH) modulators to binary output ports of a field-programmable gate array. Using an SOH Mach-Zehnder modulator (MZM) and an SOH IQ modulator we generate ON-OFF- keying and binary phase-shift keying signals as well as quadrature phase-shift keying and 16-state quadrature amplitude modulation (16QAM) formats. Peak-to-peak voltages amount to only 0.27 V-pp for driving the MZM and 0.41 V-pp for the IQ modulator. Neither digital-to-analog converters nor drive amplifiers are required, and the RF energy consumption in the modulator amounts to record-low 18 fJ/bit for 16QAM signaling

A Balanced Slew-Rate High-Voltage Integrated Bipolar Pulse Generator for Medical Ultrasonic Imaging Applications

This chapter describes the use of silicon-on-insulator (SOI) technology to develop balanced slew-rate pulse generators for medical ultrasound scanners, especially for multi-channel portable systems. Since ultrasonic transducers are usually composed of piezoelectric materials, most of which are capacitive, and the resonant frequency is usually in the order of tens of MHz, it is preferred to convert the high-frequency excited signals into high-voltage pulses to efficiently drive the transducers. In addition, the second harmonic leakage of the high-voltage pulse signal output by the pulse generator needs to be controlled such that the pulse generator can be applied to tissue harmonic imaging. Based on these considerations, the pulse generator architecture with balanced rising and falling edges proposed in this chapter is designed by synthesizing low-power, high-speed level shifters and a high-voltage H-bridge output stage to output high-voltage pulse signals with low harmonic distortion. The entire circuit integrates an 8-channel pulse generator, producing pulse signals >100 Vpp. The rise and fall times of the pulses are within 18.6 and 18.5 ns, respectively. The overall quiescent current is 2 A and the second harmonic distortion is as low as −40 dBc, indicating that the integrated pulse generator can be used in advanced, portable ultrasonic harmonic imaging systems

Advances in Development of Quartz Crystal Oscillators at Liquid Helium Temperatures

This work presents some recent results in the field of liquid helium {bulk acoustic wave} oscillators. The discussion covers the whole development procedure starting from component selection and characterization and concluding with actual phase noise measurements. The associated problems and limitations are discussed. The unique features of obtained phase noise power spectral densities are explained with a proposed extension of the Leeson effect.Comment: Cryogenics, 201

An Integrated Subharmonic Coupled-Oscillator Scheme for a 60-GHz Phased-Array Transmitter

This paper describes the design of an integrated coupled-oscillator array in SiGe for millimeter-wave applications. The design focuses on a scalable radio architecture where multiple dies are tiled to form larger arrays. A 2 × 2 oscillator array for a 60-GHz transmitter is fabricated with integrated power amplifiers and on-chip antennas. To lock between multiple dies, an injection-locking scheme appropriate for wire-bond interconnects is described. The 2 × 2 array demonstrates a 200–MHz locking range and 1 × 4 array formed by two adjacent chips has a 60-MHz locking range. The phase noise of the coupled oscillators is below 100 dBc/Hz at a 1-MHz offset when locked to an external reference. To the best of the authors’ knowledge, this is the highest frequency demonstration of coupled oscillators fabricated in a conventional silicon integrated-circuit process

The design of a linear L-band high power amplifier for mobile communication satellites

A linear L-band solid state high power amplifier designed for the space segment of the Mobile Satellite (MSAT) mobile communication system is described. The amplifier is capable of producing 35 watts of RF power with multitone signal at an efficiency of 25 percent and with intermodulation products better than 16 dB below carrier

Integrated high-voltage switched-capacitor DC-DC converters

The focus of this work is on the integrated circuit (IC) level integration of high-voltage switched-capacitor (SC) converters with the goal of fully integrated power management solutions for system-on-chip (SoC) and system-in-pagage (SiP) applications. The full integration of SC converters provides a low cost and compact power supply solution for modern electronics. Currently, there are almost no fully integrated SC converters with input voltages above 5 V. The purpose of this work is to provide solutions for higher input voltages. The increasing challenges of a compact and efficient power supply on the chip are addressed. High-voltage rated components and the increased losses caused by parasitics not only reduce power density but also efficiency. Loss mechanisms in high-voltage SC converters are investigated resulting in an optimized model for high-voltage SC converters. The model developed allows an appropriate comparison of different semiconductor technologies and converter topologies. Methods and design proposals for loss reduction are presented. Control of power switches with their supporting circuits is a further challenge for high-voltage SC converters. The aim of this work is to develop fully integrated SC converters with a wide input voltage range. Different topologies and concepts are investigated. The implemented fully integrated SC converter has an input voltage range of 2 V to 13 V. This is twice the range of existing converters. This is achieved by an implemented buck and boost mode as well as 17 conversion ratios. Experimental results show a peak efficiency of 81.5%. This is the highest published peak efficiency for fully integrated SC converters with an input voltage > 5V. With the help of the model developed in this work, a three-phase SC converter topology for input voltages up to 60 V is derived and then investigated and discussed. Another focus of this work is on the power supply of sensor nodes and smart home applications with low-power consumption. Highly integrated micro power supplies that operate directly from mains voltage are particularly suitable for these applications. The micro power supply proposed in this work utilizes the high-voltage SC converter developed. The output power is 14 times higher and the power density eleven times higher than prior work. Since plenty of power switches are built into modern multi-ratio SC converters, the switch control circuits must be optimized with regard to low-power consumption and area requirements. In this work, different level shifter concepts are investigated and a low-power high-voltage level shifter for 50 V applications based on a capacitive level shifter is introduced. The level shifter developed exceeds the state of the art by a factor of more than eleven with a power consumption of 2.1pJ per transition. A propagation delay of 1.45 ns is achieved. The presented high-voltage level shifter is the first level shifter for 50 V applications with a propagation delay below 2 ns and power consumption below 20pJ per transition. Compared to the state of the art, the figure of merit is significantly improved by a factor of two. Furthermore, various charge pump concepts are investigated and evaluated within the context of this work. The charge pump, optimized in this work, improves the state of the art by a factor of 1.6 in terms of efficiency. Bidirectional switches must be implemented at certain locations within the power stage to prevent reverse conduction. The topology of a bidirectional switch developed in this work reduces the dynamic switching losses by 70% and the area consumption including the required charge pumps by up to 65% compared to the state of the art. These improvements make it possible to control the power switches in a fast and efficient way. Index terms — integrated power management, high input voltage, multi-ratio SC converter, level shifter, bidirectional switch, micro power supplyDer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Erforschung von Switched-Capacitor (SC) Spannungswandler für höhere Eingangsspannungen. Ziel der Arbeit ist es Lösungen für ein voll auf dem Halbleiterchip integriertes Power Management anzubieten um System on Chip (SoC) und System in Package (SiP) zu ermöglichen. Die vollständige Integration von SC Spannungswandlern bietet eine kostengünstige und kompakte Spannungsversorgungslösung für moderne Elektronik. Der kontinuierliche Trend hin zu immer kompakterer Elektronik und hin zu höheren Versorgungsspannungen wird in dieser Arbeit adressiert. Aktuell gibt es sehr wenige voll integrierte SC Spannungswandler mit einer Eingangsspannung größer 5 V. Die mit steigender Spannung zunehmenden Herausforderungen an eine kompakte und effiziente Spannungsversorgung auf dem Chip werden in dieser Arbeit untersucht. Die höhere Spannungsfestigkeit der verwendeten Komponenten korreliert mit erhöhten Verlusten und erhöhtem Flächenverbrauch, welche sich negativ auf den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte von SC Spannungswandlern auswirkt. Bestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung dieser Verlustmechanismen und die Entwicklung eines Modells, welches speziell für höhere Spannungen optimiert wurde. Das vorgestellte Modell ermöglicht zum einen die optimale Dimensionierung der Spannungswandler und zum anderen faire Vergleichsmöglichkeiten zwischen verschiedenen SC Spannungswandler Architekturen und Halbleitertechnologien. Demnach haben sowohl die gewählte Architektur und Halbleitertechnologie als auch die Kombination aus gewählter Architektur und Technologie erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Spannungswandler. Ziel dieser Arbeit ist die Vollintegration eines SC Spannungswandlers mit einem weiten und hohen Eingangsspannungsbereich zu entwickeln. Dazu wurden verschiedene Schaltungsarchitekturen und Konzepte untersucht. Der vorgestellte vollintegrierte SC Spannungswandler weist einen Eingangsspannungsbereich von 2 V bis 13 V auf. Dies ist eine Verdopplung im Vergleich zum Stand der Technik. Dies wird durch einen implementierten Auf- und Abwärtswandler-Betriebsmodus sowie 17 Übersetzungsverhältnisse erreicht. Experimentelle Ergebnisse zeigen einen Spitzenwirkungsgrad von 81.5%. Dies ist der höchste veröffentlichte Spitzenwirkungsgrad für vollintegrierte SC Spannungswandler mit einer Eingangsspannung größer 5 V. Mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten Modells wird eine dreiphasige SC Spannungswandler Architektur für Eingangsspannungen bis zu 60 V entwickelt und anschließend analysiert und diskutiert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit adressiert die kompakte Spannungsversorgung von Sensorknoten mit geringem Stromverbrauch, für Anwendungen wie Smart Home und Internet der Dinge (IoT). Für diese Anwendungen eignen sich besonders gut hochintegrierte Mikro-Netzteile, welche direkt mit dem 230VRMS-Hausnetz (bzw. 110VRMS) betrieben werden können. Das in dieser Arbeit vorgestellte Mikro-Netzteil nutzt einen in dieser Arbeit entwickelten SC Spannungswandler für hohe Eingangsspannungen. Die damit erzielte Ausgangsleistung ist 14-mal größer im Vergleich zum Stand der Technik. In SC Spannungswandlern für hohe Spannungen werden viele Leistungsschalter benötigt, deshalb muss bei der Schalteransteuerung besonders auf einen geringen Leistungsverbrauch und Flächenbedarf der benötigten Schaltungsblöcke geachtet werden. Gegenstand dieser Arbeit ist sowohl die Analyse verschiedener Konzepte für Pegelumsetzer, als auch die Entwicklung eines stromsparenden Pegelumsetzers für 50 V-Anwendungen. Mit einer Leistungsaufnahme von 2.1pJ pro Signalübergang reduziert der entwickelte Pegelumsetzer mit kapazitiver Kopplung um mehr als elfmal die Leistungsaufnahme im Vergleich zum Stand der Technik. Die erreichte Laufzeitverzögerung beträgt 1.45 ns. Damit erzielt der vorgestellte Hochspannungs-Pegelumsetzer als erster Pegelumsetzer für 50 V-Anwendungen eine Laufzeitverzögerung unter 2 ns und eine Leistungsaufnahme unter 20pJ pro Signalwechsel. Im Vergleich zum Stand der Technik wird die Leistungskennzahl um den Faktor zwei deutlich verbessert. Darüber hinaus werden im Rahmen dieser Arbeiten verschiedene Ladungspumpenkonzepte untersucht und bewertet. Die in dieser Arbeit optimierte Ladungspumpe verbessert den Stand der Technik um den Faktor 1.6 in Bezug auf den Wirkungsgrad. Die in dieser Arbeit entwickelte Schaltungsarchitektur eines bidirektionalen Schalters reduziert die dynamischen Schaltverluste um 70% und den benötigten Flächenbedarf inklusive der benötigten Ladungspumpe um bis zu 65% gegenüber dem Stand der Technik. Diese Verbesserungen ermöglichen es, die Leistungsschalter schnell und effizient anzusteuern. Schlagworte — Integriertes Powermanagement, hohe Eingangsspannung, Multi-Ratio SC Spannungswan- dler, Pegelumsetzer, bidirektionaler Schalter, Mikro-Netztei

Analysis and Design of a Sub-THz Ultra-Wideband Phased-Array Transmitter

This thesis investigates circuits and systems for broadband high datarate transmitter systems in the millimeter-wave (mm-wave) spectrum. During the course of this dissertation, the design process and characterization of a power efficient and wideband binary phase-shift keying (BPSK) transmitter integrated circuit (IC) with local oscillator (LO) frequency multiplication and 360° phase control for beam steering is studied. All required circuit blocks are designed based on the theoretical analysis of the underlying principles, optimized, fabricated and characterized in the research laboratory targeting low power consumption, high efficiency and broadband operation. The phase-controlled push-push (PCPP) architecture enabling frequency multiplication by four in a single stage is analytically studied and characterized finding an optimum between output power and second harmonic suppression depending on the input amplitude. A PCPP based LO chain is designed. A circuit is fabricated establishing the feasibility of this architecture for operation at more than 200 GHz. Building on this, a second circuit is designed, which produces among the highest saturated output powers at 2 dBm. At less than 100 mW of direct current (DC) power consumption, this results in a power-added efficiency (PAE) of 1.6 % improving the state of the art by almost 30 %. Phase-delayed and time-delayed approaches to beam steering are analyzed, identifying and discussing design challenges like area consumption, signal attenuation and beam squint. A 60 GHz active vector-sum phase-shifter with high gain of 11.3 dB and output power of 5 dBm, improving the PAE of the state of the art by a factor of 30 achieving 6.29 %, is designed. The high gain is possible due to an optimization of the orthogonal signal creation stage enabled by studying and comparing different architectures leading to a trade off of lower signal attenuation for higher area consumption in the chosen electromagnetic coupler. By combining this with a frequency quadrupler, a phase steering enabled LO chain for operation at 220 GHz is created and characterized, confirming the preceding analysis of the phase-frequency relation during multiplication. It achieves a power gain of 21 dB, outperforming comparable designs by 25 dB. This allows the combination of phase control, frequency multiplication and pre-amplification. The radio frequency (RF) efficiency is increased 40-fold to 0.99 %, with a total power consumption of 105 mW. Motivated by the distorting effect of beam squint in phase-delayed broadband array systems, a novel analog hybrid beam steering architecture is devised, combining phase-delayed and time-delayed steering with the goal of reducing the beam squint of phase-delayed systems and large area consumption of time-delayed circuits. An analytical design procedure is presented leading to the research finding of a beam squint reduction potential of more than 83 % in an ideal system. Here, the increase in area consumption is outweighed by the reduction in beam squint. An IC with a low power consumption of 4.3 mW has been fabricated and characterized featuring the first time delay circuit operating at above 200 GHz. By producing most of the beam direction by means of time delay the beam squinting can be reduced by more than 75 % in measurements while the subsequent phase shifter ensures continuous beam direction control. Together, the required silicon area can be reduced to 43 % compared to timedelayed systems in the same frequency range. Based on studies of the optimum signal feeding and input matching of a Gilbert cell, an ultra-wideband, low-power mixer was designed. A bandwidth of more than 100 GHz was achieved exceeding the state of the art by 23 %. With a conversion gain of –13 dB, this enables datarates of more than 100 Gbps in BPSK operation. The findings are consolidated in an integrated transmitter operating around 246 GHz doubling the highest published measured datarates of transmitters with LO chain and power amplifier in BPSK operation to 56 Gbps. The resulting transmitter efficiency of 7.4 pJ/bit improves the state of the art by 70 % and 50 % over BPSK and quadrature phaseshift keying (QPSK) systems, respectively. Together, the results of this work form the basis for low-power and efficient next-generation wireless applications operating at many times the datarates available today.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 List of Symbols 11 List of Acronyms 17 Prior Publications 19 1. Introduction 21 1.1. Motivation........................... 21 1.2. Objective of this Thesis ................... 25 1.3. Structure of this Thesis ................... 27 2. Overview of Employed Technologies and Techniques 29 2.1. IntegratedCircuitTechnology................ 29 2.2. Transmission Lines and Passive Structures . . . . . . . . 35 2.3. DigitalModulation ...................... 41 3. Frequency Quadrupler 45 3.1. Theoretical Analysis of Frequency Multiplication Circuits 45 3.2. Phase-Controlled Push-Push Principle for Frequency Quadrupling.......................... 49 3.3. Stand-alone Phase-Controlled Push-Push Quadrupler . 60 3.4. Phase-Controlled Push-Push Quadrupler based LO-chain with High Output Power ............... 72 9 4. Array Systems and Dynamic Beam Steering 91 4.1. Theoretical Analysis of BeamSteering. . . . . . . . . . . 95 4.2. Local Oscillator Phase Shifting with Vector-Modulator PhaseShifters......................... 107 4.3. Hybrid True-Time and Phase-Delayed Beam Steering . 131 5. Ultra-Wide Band Modulator for BPSK Operation 155 6. Broadband BPSK Transmitter System for Datarates up to 56 Gbps 167 6.1. System Architecture ..................... 168 6.2. Measurement Technique and Results . . . . . . . . . . . 171 6.3. Summary and performance comparison . . . . . . . . . 185 7. Conclusion and Outlook 189 A. Appendix 195 Bibliography 199 List of Figures 227 Note of Thanks 239 Curriculum Vitae 241Diese Dissertation untersucht Schaltungen und Systeme für breitbandige Transmittersysteme mit hoher Datenrate im Millimeterwellen (mm-wave) Spektrum. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Entwurfsprozess und die Charakterisierung eines leistungseffizienten und breitbandigen integrierten Senders basierend auf binärer Phasenumtastung (BPSK) mit Frequenzvervielfachung des Lokaloszillatorsignals und 360°-Phasenkontrolle zur Strahlsteuerung untersucht. Alle erforderlichen Schaltungsblöcke werden auf Grundlage von theoretischen Analysen der zugrundeliegenden Prinzipien entworfen, optimiert, hergestellt und im Forschungslabor charakterisiert, mit den Zielen einer niedrigen Leistungsaufnahme, eines hohen Wirkungsgrades und einer möglichst großen Bandbreite. Die phasengesteuerte Push-Push (PCPP)-Architektur, welche eine Frequenzvervierfachung in einer einzigen Stufe ermöglicht, wird analytisch untersucht und charakterisiert. Dabei wird ein Optimum zwischen Ausgangsleistung und Unterdrückung der zweiten Harmonischen des Eingangssignals in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude gefunden. Es wird eine LO-Kette auf PCPP-Basis entworfen. Eine Schaltung wird präsentiert, die die Machbarkeit dieser Architektur für den Betrieb bei mehr als 200 GHz nachweist. Darauf aufbauend wird eine zweite Schaltung entworfen, die mit 2 dBm eine der höchsten publizierten gesättigten Ausgangsleistungen erzeugt. Mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 100mW ergibt sich ein Leistungswirkungsgrad (PAE) von 1.6 %, was den Stand der Technik um fast 30 % verbessert. Es werden phasenverzögerte und zeitverzögerte Ansätze zur Steuerung der Strahlrichtung analysiert, wobei Entwicklungsherausforderungen wie Flächenverbrauch, Signaldämpfung und Strahlschielen identifiziert und diskutiert werden. Ein aktiver Vektorsummen-Phasenschieber mit hoher Verstärkung von 11.3 dB und einer Ausgangsleistung von 5 dBm, der mit einer PAE von 6.29 % den Stand der Technik um den Faktor 30 verbessert, wird entworfen. Die hohe Verstärkung ist zum Teil auf eine Optimierung der orthogonalen Signalerzeugungsstufe zurückzuführen, die durch die Untersuchung und den Vergleich verschiedener Architekturen ermöglicht wird. Bei der Entscheidung für einen elektromagnetischen Koppler rechtfertigt die geringere Signaldämpfung einen höheren Flächenverbrauch. Durch die Kombination mit einem Frequenzvervierfacher wird eine LO-Kette mit Phasensteuerung für den Betrieb bei 220 GHz geschaffen und charakterisiert, was die vorangegangene Analyse der Phasen-FrequenzBeziehung während der Multiplikation bestätigt. Sie erreicht einen Leistungsgewinn von 21 dB und übertrifft damit vergleichbare Designs um 25dB. Dies ermöglicht die Kombination von Phasensteuerung, Frequenzvervielfachung und Vorverstärkung. Der HochfrequenzWirkungsgrad wird um das 40-fache auf 0.99 % bei einer Gesamtleistungsaufnahme von 105 mW gesteigert. Motiviert durch den verzerrenden Effekt des Strahlenschielens in phasengesteuerten Breitbandarraysystemen, wird eine neuartige analoge hybride Strahlsteuerungsarchitektur untersucht, die phasenverzögerte und zeitverzögerte Steuerung kombiniert. Damit wird sowohl das Strahlenschielen phasenverzögerter Systeme als auch der große Flächenverbrauch zeitverzögerter Schaltungen reduziert. Es wird ein analytisches Entwurfsverfahren vorgestellt, das zu dem Forschungsergebnis führt, dass in einem idealen System ein Potenzial zur Reduktion des Strahlenschielens von mehr als 83 % besteht. Dabei wird die Zunahme des Flächenverbrauchs durch die Verringerung des Strahlenschielens aufgewogen. Es wird ein IC mit einer geringen Leistungsaufnahme von 4.3mW hergestellt und charakterisiert. Dabei wird die erste Zeitverzögerungsschaltung entworfen, die bei über 200 GHz arbeitet. Durch die Erzeugung eines Großteils der Strahlrichtung mittels Zeitverzögerung kann das Schielen des Strahls bei Messungen um mehr als 75% reduziert werden, während der nachfolgende Phasenschieber eine kontinuierliche Steuerung der Strahlrichtung gewährleistet. Insgesamt kann die benötigte Siliziumfläche im Vergleich zu zeitverzögerten Systemen im gleichen Frequenzbereich auf 43 % reduziert werden. Auf der Grundlage von Studien zur optimalen Signaleinspeisung und Eingangsanpassung einer Gilbert-Zelle wird ein Ultrabreitband-Mischer mit geringem Stromverbrauch entworfen. Dieser erreicht eine Ausgangsbandbreite von mehr als 100 GHz, die den Stand der Technik um 23% übertrifft. Bei einer Wandlungsverstärkung von –13dB ermöglicht dies Datenraten von mehr als 100 Gbps im BPSK-Betrieb. Die Erkenntnisse werden in einem integrierten, breitbandigen Sender konsolidiert, der um 246 GHz arbeitet und die höchsten veröffentlichten gemessenen Datenraten für Sender mit LO-Signalkette und Leistungsverstärker im BPSK-Betrieb auf 56 Gbps verdoppelt. Die daraus resultierende Transmitter-Effizienz von 7.4 pJ/bit verbessert den Stand der Technik um 70 % bzw. 50 % gegenüber BPSKund Quadratur Phasenumtastung (QPSK)-Systemen. Zusammen bilden die Ergebnisse dieser Arbeit die Grundlage für stromsparende, effiziente, mobile Funkanwendungen der nächsten Generation mit einem Vielfachen der heute verfügbaren Datenraten.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 List of Symbols 11 List of Acronyms 17 Prior Publications 19 1. Introduction 21 1.1. Motivation........................... 21 1.2. Objective of this Thesis ................... 25 1.3. Structure of this Thesis ................... 27 2. Overview of Employed Technologies and Techniques 29 2.1. IntegratedCircuitTechnology................ 29 2.2. Transmission Lines and Passive Structures . . . . . . . . 35 2.3. DigitalModulation ...................... 41 3. Frequency Quadrupler 45 3.1. Theoretical Analysis of Frequency Multiplication Circuits 45 3.2. Phase-Controlled Push-Push Principle for Frequency Quadrupling.......................... 49 3.3. Stand-alone Phase-Controlled Push-Push Quadrupler . 60 3.4. Phase-Controlled Push-Push Quadrupler based LO-chain with High Output Power ............... 72 9 4. Array Systems and Dynamic Beam Steering 91 4.1. Theoretical Analysis of BeamSteering. . . . . . . . . . . 95 4.2. Local Oscillator Phase Shifting with Vector-Modulator PhaseShifters......................... 107 4.3. Hybrid True-Time and Phase-Delayed Beam Steering . 131 5. Ultra-Wide Band Modulator for BPSK Operation 155 6. Broadband BPSK Transmitter System for Datarates up to 56 Gbps 167 6.1. System Architecture ..................... 168 6.2. Measurement Technique and Results . . . . . . . . . . . 171 6.3. Summary and performance comparison . . . . . . . . . 185 7. Conclusion and Outlook 189 A. Appendix 195 Bibliography 199 List of Figures 227 Note of Thanks 239 Curriculum Vitae 24