Millimeter-Wave Multi-Port Front-End Receivers: Design Considerations and Implementation

This chapter covers recent achievements on the integrated 60 GHz millimeter-wave front-end receiver based on the multi-port (six-port) concept. For this purpose, the design procedure of a fully integrated 60 GHz multi-port (six-port) front-end receiver implemented on a thin ceramic substrate (εr = 9.9, h = 127 μm) using an miniature hybrid microwave integrated circuit (MHMIC) fabrication process is presented in detail. All components constituting the proposed front-end receiver including an 8 × 2 antenna array, a low-noise amplifier (LNA), a six-port circuit, and the RF power detectors are presented and characterized separately before they are integrated into the final front-end receiver prototype. The performance of the latter has been experimentally evaluated in terms of various M-PSK/M-QAM demodulations. The obtained demodulation results are very satisfactory (the constellation points for all considered M-PSK/M-QAM schemes are very close to the ideal locations), demonstrating and confirming the high ability of the proposed 60 GHz millimeter-wave six-port front-end receiver to operate as a high-performance quadrature demodulator, without any calibration, for modulation schemes up to 32 symbols

Six-Port Technology for Millimeter-Wave MIMO Systems

RÉSUMÉ Les taux de transmission des systèmes de communication sans-fil modernes augmentent. De nouvelles bandes de fréquences et de nouvelles technologies sont exploitées pour supporter de hauts taux de transmission. La bande d’ondes millimétriques est une bonne candidate pour supporter des taux de transmission de l’ordre des Gbps. De plus, la technologie à entrées/sorties multiples (MIMO) ouvre la porte à des systèmes de communication à bas coût à haut taux de transmission. Le récepteur hétérodyne standard est utilisé dans plusieurs systèmes de communication, puisqu’il présente une grande sélectivité et une grande sensibilité. Par contre, le récepteur à conversion directe permet un meilleur niveau d’intégration en diminuant le nombre de composants des circuits. Parmi les récepteurs à conversion directe, ceux à six ports ont un circuit passif qui sert d’interferomètre. La diversité additionnelle est produite par les sorties en quadrature, qui sont des combinaisons linéaires du signal d’entrée et du signal de référence. Les guides d’onde intégrés au substrat (SIW) peuvent être facilement intégrés à des circuits planaires. La conception est simplifiée puisqu’il existe des méthodes de conception de guides d’ondes traditionnels. Un système MIMO à six ports de type SIW est présenté dans cette dissertation. Premièrement, un diviseur de puissance et un coupleur hybride de type SIW sont présentés. L’implémentation de ces circuits, basée sur les règles de conception des structures SIW, est réalisée une bande de fréquence d’intérêt. Plusieurs paramètres critiques peuvent être manipulés pour contrôler les performances du diviseur de puissance et du coupleur hybride. Une transition de la structure SIW à la ligne micro-ruban est conçue pour permettre des mesures. Les résultats de simulation du circuit démontrent que celui-ci offre une bonne performance. Deuxièmement, à partir du diviseur de puissance et du coupleur hybride, le circuit à six ports est présenté. Trois types d’architechtures sont comparées, et l’une d’elles est choisie pour le système de démonstration. Les résultats de simulation et les résultats expérimentaux concordent, et guarantissent une bonne performance du circuit proposé et du système de communication sans-fil dans lequel le circuit est intégré. Finalement, le système de 2×2 ports est présenté. Il n’y a pas de couplage réciproque entre les deux récepteurs lorsque le critère de propagation de Rayleigh dans la ligne de visée est respecté.---------- Abstract Presently, the data rates in modern wireless communication systems are becoming higher and higher and new frequency bands and technologies are being exploited in support of high data transmissions. The millimeter-wave band is a candidate of choice to support Gbps data transmission. In addition, Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technology will open the way for low-cost reliable communication systems that require even higher data rates. While the conventional heterodyne receiver has been widely applied in many kinds of communication systems due to its high selectivity and sensitivity, the direct-conversion receiver allows higher-level circuit integration by reducing the number of circuit components. Among these direct-conversion receivers, six-port scheme presents a passive circuit that acts as an interferometer. The additional diversity is produced by the quadrature outputs of the six-port circuit that are linear combinations of the unknown input signal and the reference signal. Substrate integrated waveguide (SIW) can be integrated with planar circuits easily. The design procedure is obviously simplified as a result of the existing typical design methods for the rectangular waveguide. Based on the above techniques and discussions, the millimeter-wave MIMO system based on SIW six-port circuit is presented in this dissertation. First, the SIW power divider and hybrid coupler are presented. The implementation of those circuits is based on the SIW design rules, according to the working frequency band of interest. Several critical parameters can be manipulated to control performances of the SIW power divider and hybrid coupler. An SIW to microstrip line transition is designed for measurement purposes. Simulation results of the circuits show good performances. Second, based on the studied and designed SIW power divider and hybrid coupler, the six-port circuit is presented. Three types of six-port architecture are compared, with one of them chosen to work in our millimeter-wave MIMO system demonstration. Simulation and measurement results agree well and guarantee a good performance of the proposed circuit itself and wireless high-speed communication system in which the circuit is embedded. Finally, the 2×2 millimeter-wave MIMO system is presented

Architectures multi-bandes en mode impulsionnel et circuits pour des applications nomades très haut débit autour de 60GHz

Avec la croissance actuelle du marché des applications de transfert de données multimédia à très haut débit, les bandes de fréquences autour de 60 GHz sont une nouvelle alternative promettant des performances intéressantes en terme de débits mais soulèvent des défis techniques et technologiques au niveau des architectures et circuits. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse, qui propose une approche multi bande impulsionnelle MBOOK avec un récepteur à détection d'énergie, et qui analyse plus spécifiquement les verrous au niveau de l'émetteur. L'étude du canal de propagation à 60 GHz, basée sur les modèles de canaux du standard IEEE 802.15.3c, a permis de démontrer la potentialité de cette architecture et permet d'atteindre des débits de 2 Gbps à 2metres dans un environnement de type résidentiel. Le dimensionnement de l'architecture ainsi que des performances des principaux blocs ont conduit à plusieurs possibilités pour l'architecture de l'émetteur MBOOK à 60 GHz. Les critères ont été d'assurer un compromis performances, consommation. Une étude approfondie sur l'étude des imperfections de certains blocs critiques et l'impact sur l'impulsion transmise, et donc sur les performances du système ont été établies. Le banc de filtres, nécessaire à l'émission et à la réception, représente l'un des verrous, et nous proposons une solution de filtrage à base de lignes couplées. L'étude des solutions de génération d'impulsions, des étages de commutation, et des étages d'amplification de l'émetteur sont détaillées et discutées dans les deux derniers chapitresWith the current increasing market request concerning high speed data rates applications, the 60 GHz frequency bands seems to be one of the new promising alternatives for high data rate wireless communications. In this context, the development of new systems operating at these frequencies becomes a very attractive research subject. This study focuses on nomadic systems offering high data and reconfigurable rates, low complexity, low power consumption for short communications. One of the important tasks in the millimetre wave architecture design is to consider the channel propagation characteristics simultaneously with the technological performance of integrated circuits and antennas. This requires a co-design of the entire system. Therefore, we begun by studying the characteristics of the channel propagation channel at 60GHz according to the IEEE 802.15.3c and IEEE 802.11.ad models. This PHD thesis proposes a new transceiver architecture based on multi-band impulse mode, with On Off Keying modulation schema and non coherent receiver. This architecture is dedicated to nomadic systems offering high data and reconfigurable rates, low complexity, low power consumption for short communications. Analysis and performances for the proposed architecture are presented. More than 2 Gbps at 2 m are obtained. The imperfections of some critical blocks and their impact on the transmitted pulses were analysed and thus the performance of the system has been established. The potentiality of microstrip band pass filter bank presenting a constant relative bandwidth and reasonable insertion losses is presented in this study. The study of pulse generation solutions, switchers, amplification stages and antennas are detailed and discussed in the last two chaptersconstant relative bandwidth and reasonable insertion losses is presented in this study.The study of pulse generation solutions, switchers, amplification stages and antennas are detailed and discussed in the last two chapters.PARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF