High frequency and high performance voltage controlled oscillator for wireless communications

制度:新 ; 文部省報告番号:甲2632号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2008/3/15 ; 早大学位記番号:新479

MMIC-based Low Phase Noise Millimetre-wave Signal Source Design

Wireless technology for future communication systems has been continuously evolving to meet society’s increasing demand on network capacity. The millimetre-wave frequency band has a large amount of bandwidth available, which is a key factor in enabling the capability of carrying higher data rates. However, a challenge with wideband systems is that the capacity of these systems is limited by the noise floor of the local oscillator (LO). The LO in today’s communication systems is traditionally generated at low frequency and subsequently multiplied using frequency multipliers, leading to a significant degradation of the LO noise floor at millimetre-wave frequencies. For this reason, the thesis considers low phase noise millimetre-wave signal source design optimised for future wideband millimetre-wave communications.In an oscillator, low frequency noise (LFN) is up-converted into phase noise around the microwave signal. Thus, aiming for low phase noise oscillator design, LFN characterisations and comparisons of several common III-V transistor technologies, e.g. GaAs-InGaP HBTs, GaAs pHEMTs, and GaN HEMTs, are carried out. It is shown that GaN HEMTs have good potential for oscillator applications where far-carrier phase noise performance is critical, e.g. wideband millimetre-wave communications. Since GaN HEMT is identified as an attractive technology for low noise floor oscillator applications, an in-depth study of some factors which affects LFN characteristics of III-N GaN HEMTs such as surface passivation methods and variations in transistor geometry are also investigated. It is found that the best surface passivation and deposition method can improve the LFN level of GaN HEMT devices significantly, resulting in a lower oscillator phase noise. Several MMIC GaN HEMT based oscillators including X-band Colpitts voltage-controlled-oscillators (VCOs) and Ka-band reflection type oscillators are demonstrated. It is verified that GaN HEMT based oscillators can reach a low noise floor. For instance, X-band GaN HEMT VCOs and a Ka-band GaN HEMT reflection type oscillator with 1 MHz phase noise performance of -135 dBc/Hz and -129 dBc/Hz, respectively, are demonstrated. These results are not only state-of-the-art for GaN HEMT oscillators, but also in-line with the best performance reported for GaAs-InGaP HBT based oscillators. Further, the MMIC oscillator designs are combined with accurate phase noise calculations based on a cyclostationary method and experimental LFN data. It has been seen that the measured and calculated phase noise agree well.The final part of this thesis covers low phase noise millimetre-wave signal source design and a comparison of different architectures and technological approaches. Specifically, a fundamental frequency 220 GHz oscillator is designed in advanced 130 nm InP DHBT process and a D-band signal source is based on the Ka-band GaN HEMT oscillator presented above and followed by a SiGe BiCMOS MMIC including a sixtupler and an amplifier. The Ka-band GaN HEMT oscillator is used to reach the critical low noise floor. The 220 GHz signal source presents an output power around 5 dBm, phase noise of -110 dBc/Hz at 10 MHz offset and a dc-to-RF efficiency in excess of 10% which is the highest number reported in open literature for a fundamental frequency signal source beyond 200 GHz. The D-band signal source, on the other hand, presents an output power of 5 dBm and phase noise of -128 dBc/Hz at 10 MHz offset from a 135 GHz carrier signal. Commenting on the performance of these two different millimetre-wave signal sources, the GaN HEMT/SiGe HBT source presents the best normalized phase noise at 10 MHz, while the integrated InP HBT oscillator demonstrates significantly better conversion efficiency and still a decent phase noise

SiGe-based broadband and high suppression frequency doubler ICs for wireless communications

制度:新 ; 報告番号:甲3419号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2011/9/15 ; 早大学位記番号:新574

Innovative Design and Realization of Microwave and Millimeter-Wave Integrated circuits

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

BiCMOS high-performance ICs : from DC to mm-wave

Progress with silicon and silicon germanium (SiGe) based BiCMOS technologies over the past few years has been very impressive. This enables the implementation of traditional microwave and emerging mm-wave applications in silicon. The paper gives an overview of several high-performance ICs that have been implemented in a state-of-the-art BiCMOS technology (QUBiC4). Examples of high-performance ICs are described ranging from basic building blocks for mobile applications to highly integrated receiver and transmitter ICs for applications up to the mm-wave range

Characterization and Modeling of DHBT in InP/GaAsSb Technology for the Design and Fabrication of a Ka Band MMIC Oscillator

This paper presents the design of an MMIC oscillator operating at a 38 GHz frequency. This circuit was fabricated by the III–V Lab with the new InP/GaAsSb Double Heterojunction Bipolar Transistor (DHBT) submicronic technology (We=700 nm). The transistor used in the circuit has a 15 μm long two-finger emitter. This paper describes the complete nonlinear modeling of this DHBT, including the cyclostationary modeling of its low frequency (LF) noise sources. The specific interest of the methodology used to design this oscillator resides in being able to choose a nonlinear operating condition of the transistor from an analysis in amplifier mode. The oscillator simulation and measurement results are compared. A 38 GHz oscillation frequency with 8.6 dBm output power and a phase noise of −80 dBc/Hz at 100 KHz offset from carrier have been measured

Гетеродин трансівера 8-мм діапазону довжин хвиль з низьким рівнем фазового шуму

Обсяг пояснювальної записки магістерської дисертації становить 115 сторінок, які включають в себе 6 розділів, 70 ілюстрації, 3 таблиці, 29 бібліографічних найменувань за переліком джерел посилань. Актуальність теми дослідження. Розробка інтегральних схем генераторів короткохвильової частини сантиметрового і міліметрового діапазонів довжин хвиль є актуальною задачею, від вирішення якої залежить успіх просування сучасних засобів зв’язку у нові, відносно вільні ділянки радіоспектру. Даний пристрій можна використовувати як для передачі інформації так і для радіолокації або навіть для створення лабораторного обладнання. Використання більш високих частот для передачі інформації дозволяє використовувати повторно ту ж саму частоту на відносно невеликих відстанях, в силу великого затухання в просторі та спрямованих антен з вузькою діаграмою спрямованості. Отже, отримання спектрально чистих коливань генераторів в нових діапазонах частот з одночасними вимогами щодо їх серійноспроможності і низької вартості є задачею, яка активно вирішується сьогодні в світі. Мета і задачі дослідження. Отримати результати дослідження, на основі яких можна буде створювати генератори міліметрового діапазону довжин хвиль із розрахованими характеристиками, які мають високу кореляцію із практичними результатами. Завдання: 1. Проаналізувати фактори, які пливають на стабільність роботи цифрових систем зв’язку та аналіз існуючих рішень генераторів міліметрового діапазону довжин хвиль. 2. Розробка структурної схеми НВЧ частини гетеродина. 3. Розробка принципової схеми гетеродину. 4. Розробка вузлів генератора (петля ФАПЧ, джерела живлення, програма мікроконтролера, генератор опорної частоти та інші). 5. Експериментальні дослідження гетеродину. Об’єкт дослідження. Технологія розробки гетеродину міліметрового діапазону довжин хвиль. Предмет дослідження. Щільність потужності фазового шуму гетеродину на різних відстроюваннях від носійної частоти. Методи дослідження. Аналіз факторів, які впливають на стабільність роботи цифрових систем зв’язку. Отримання математичної моделі для розрахунку фазового шуму. Електродинамічне моделювання. Наукова новизна одержаних результатів. Генератор міліметрового діапазону на основі інтегральних мікросхем, дане рішення має перевагу над аналогами : швидка перестройка частоти, дешевизна, низьке значення середньоквадратичного фазового шуму на рівні 3.77°. Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати можна використовувати для проектування систем зв’язку, радіолокаторів, лабораторних генераторів, та інших систем.The volume of the master's dissertation is 115 pages and includes 6 sections, 70 illustrations, 3 tables, 29 bibliographic references. Relevance of the research topic: The development of integrated circuits for generators of the short-wavelength part of the centimeter and millimeter wavelength ranges is an urgent task, the solution of which determines the success of the promotion of modern means of communication in new, relatively free parts of the radio spectrum. This device can be used for both information transmission and radar or even for the development of laboratory equipment. The use of higher frequencies for information transmission allows the reuse of the same frequency over relatively short distances, due to the large attenuation in space and directional antennas with a narrow radiation pattern. Therefore, obtaining spectrally pure oscillations of generators in new frequency ranges with simultaneous requirements for their serial capacity and low cost is a task that is being actively addressed in the world today. The purpose and objectives of the study: Obtain the results of the study, on the basis of which it will be possible to develop generators of the millimeter wavelength range with calculated characteristics that have a high correlation with practical results. Tasks: 1. To analyze the factors that affect the stability of the digital communication systems and the analysis of existing solutions of generators of the millimeter wavelength range. 2. Development of the structural scheme of the microwave part. 3. Development of a schematic diagram of a local oscillator. 4. Development of generator units (PLL loop, power supplies, microcontroller program, reference oscillator, etc.). 5. Experimental studies of local oscillators. Object of study: Technology for the development of a millimeter-wavelength local oscillator. Subject of study. The power density of the phase noise of the local oscillator at different detuning from the carrier frequency. Research methods. Analysis of factors that affect the stability of digital communication systems. Obtaining a mathematical model for calculating phase noise. Electromagnetic modeling. Scientific novelty of the obtained results. Millimeter-range generator based on integrated circuits, this solution has an advantage over analogues: fast frequency tuning, low cost, low value of RMS phase noise at 3.77 °. The practical significance of the obtained results. The results can be used to design communication systems, radars, laboratory generators, and other systems.Объем объяснительной записки магистерской диссертации составляет 115 страниц, которые включают в себя 6 разделов, 70 иллюстрации, 3 таблицы, 29 библиографических наименований по перечню источников ссылок. Актуальность темы исследования: Разработка интегральных схем генераторов коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн является актуальной задачей, от решения которой зависит успех продвижения современных средств связи в новые, относительно свободные участки радиоспектра. Данное устройство можно использовать как для передачи информации так и для радиолокации или даже для создания лабораторного оборудования. Использование более высоких частот для передачи информации позволяет использовать повторно ту же частоту на относительно небольших расстояниях, в силу большого затухания в пространстве и направленных антенн с узкой диаграммой направленности. Таким образом, получение спектрально чистых колебаний генераторов в новых диапазонах частот с одновременными требованиями по их серийноспроможности и низкой стоимости является задачей, которая активно решается сегодня в мире. Цель и задачи исследования: Получить результаты исследования, на основе которых можно будет создавать генераторы миллиметрового диапазона длин волн с рассчитанными характеристиками, которые имеют высокую корреляцию с практическими результатами. Задания: 1. Проанализировать факторы, плывущие на стабильность работы цифровых систем связи и анализ существующих решений генераторов миллиметрового диапазона длин волн. 2. Разработка структурной схемы СВЧ части гетеродина. 3. Разработка принципиальной схемы гетеродина. 4. Разработка узлов генератора (петля ФАПЧ, источники питания, программа микроконтроллера, генератор опорной частоты и другие). 5. Экспериментальные исследования гетеродина. Объект исследования: Технология разработки гетеродина миллиметрового диапазона длин волн. Предмет исследования: Плотность мощности фазового шума гетеродина на разных отстройке от несущей частоты. Методы исследования: Анализ факторов, влияющих на стабильность работы цифровых систем связи. Получение математической модели для расчета фазового шума. Электродинамическое моделирования. Научная новизна полученных результатов: Генератор миллиметрового диапазона на основе интегральных микросхем, данное решение имеет преимущество перед аналогами: быстрая перестройка частоты, дешевизна, низкое значение среднеквадратичного фазового шума на уровне 3.77 °. Практическое значение полученных результатов: Полученные результаты можно использовать для проектирования систем связи, радиолокаторов, лабораторных генераторов и других систем

Методи побудови малошумлячих транзисторних генераторів сантиметрового та міліметрового діапазонів довжин хвиль

В дисертаційній роботі розроблено метод об’єднання об’ємних металевих резонансних структур з планарною підкладинкою генератора, що дозволяє значно знизити рівень фазового шуму за рахунок застосування резонаторів зі збільшеними значеннями добротності. Вдосконалено метод проектування двотактних генераторів шляхом використання в якості корисного вихідного сигналу третьої гармоніки основного коливання, що дозволяє досягти низьких рівнів фазового шуму у сантиметровому та міліметровому діапазонах. Розроблено високодобротні моделі резонансних структур, на основі яких побудовано та досліджено нові високотехнологічні конструкції генераторів та синтезаторів зі зниженим рівнем фазового шуму у сантиметровому та міліметровому діапазонах довжин хвиль