W/D-Bands Single-Chip Systems in a 0.13μm SiGe BiCMOS Technology – Dicke Radiometer, and Frequency Extension Module for VNAs
0.13μm SiGe BiCMOS W/D-Band Tek-Çip Sistemler – Dicke Radyometresi, ve VNA'lar için Frekans Genişletici Modül
- Tez No: 507374
- Danışmanlar: PROF. DR. YAŞAR GÜRBÜZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 144
Özet
Silikon bazlı proses teknolojilerindeki son gelişmeler, düşük maliyetli ve tamamen entegre tek çipli milimetre-dalga sistemlerinin, III-V muadillerine göre rekabetçi, bazen daha da iyi bir performansa sahip olmasını sağlamıştır. Bu gelişmeler ve milimetrik dalga frekansı alanındaki uygulamalara olan artan talebin bir sonucu olarak, son yıllarda milimetre-dalga sistemlerinin tasarımı ve uygulanması alanında giderek artan bir araştırma ilgisi bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında, IHP'nin 0.13μm SiGe BiCMOS teknolojisinde gerçeklenen, tekli çipli D-bant ön uç alıcıları (toplam güç ve Dicke radyometre) ve VNA'lar için tek çipli W-bant frekans uzatma modülü sunulmaktadır. İlk olarak, SPDT anahtarı, düşük gürültü kuvvetlendirici (LNA) ve güç dedektörü olan radyometrelerin alt bloklarının tasarımları, uygulamaları ve ölçüm sonuçları sunulmaktadır. Daha sonra, toplam güç ve Dicke radyometrelerinin gerçeklenmesi ve deneysel test sonuçları gösterilmiştir. Toplam güç radyometresi, harici bir mekanik anahtarlama olduğu varsayılarak 0.07K'lık bir gürültü eşdeğer sıcaklık farkına (NETD) sahiptir. Ek olarak, toplam güç radyometrisinin NETD'nin kazanım-dalgalanması üzerindeki bağımlılığı gösterilmektedir. Toplam güç radyometresinin NETD'si,% 0.1'lik bir kazanç dalgalanması varsayılarak 1.3K olarak bulunmuştur. Toplam güç radyometresinin ön uç alıcısı 1.3 mm2'lik bir alanı kaplar. Dicke radyometresi, 10 kHz'lik bir Dicke anahtarlaması için 0.13K'lık bir NETD elde eder ve toplam yonga alanı yaklaşık 1.7 mm2'dir. Toplam gücün ve Dicke radyometrelerinin sukunet halinde güç tüketimi sırasıyla 28.5 mW ve 33.8 mW'dir. Gerçeklenen radyometreler literatürdeki en düşük NETD performansını gösterir ve Dicke anahtarlama kavramı 100 GHz'nin ötesinde ilk kez kullanılmıştır. İkincisi, aşağı-dönüşüm karıştırıcısı, frekans dörtleyici, tampon kuvvetlendirici, Wilkinson güç bölücü ve çift yönlü kuplör gibi frekans genişletme modülünün alt-bloklarının tasarım metodolojilerini, gerçeklenme yöntemlerini ve elde edilen sonuçları sunulmaktadır. Daha sonra, tek çipli frekans uzatma modülünün implemantasyon, karakterizasyon ve deneysel test sonuçları gösterilmiştir. Frekans uzatma modülü, 10 Hz'lik bir IF çözünürlük bant genişliği için yaklaşık 110 dB'lik bir dinamik aralığa sahiptir ve W-bandı üzerinde -4.25 dBm ve -0.3 dBm arasında değişen bir çıkış gücü vardır. Girişe tanımlı 1 dB sıkıştırma noktası yaklaşık 1.9 dBm'dir. Frekans genişletme modülünün yönelimi tüm W-bandı boyunca 10 dB'den daha iyidir ve maksimum değeri yaklaşık 75.5 GHz'de yaklaşık 23 dB'dir. Son olarak, tasarlanan frekans uzatma modülü ve ticari bir tanesi tarafından gerçekleştirilen bir W-band horn-anteninin ölçülen s-parametreleri karşılaştırılır ve tek-çipli frekans uzatma modülünün çalışması bu şekilde doğrulanır. Bu çalışma, bir silikon tabanlı yarı iletken teknolojisinde uygulanan tek-çip frekans uzatma modülünün ilk gösterimidir.
Özet (Çeviri)
Recent advances in silicon-based process technologies have enabled to build low-cost and fully-integrated single-chip millimeter-wave systems with a competitive, sometimes even better, performance with respect to III-V counterparts. As a result of these developments and the increasing demand for the applications in the millimeter-wave frequency range, there is a growing research interest in the field of the design and implementation of the millimeter-wave systems in the recent years. In this thesis, we present two single-chip D-band front-end receivers for passive imaging systems and a single-chip W-band frequency extension module for VNAs, which are implemented in IHP's 0.13μm SiGe BiCMOS technology, SG13G2, featuring HBTs with f_t/f_max of 300GHz/500GHz. First, the designs, implementations, and measurement results of the sub-blocks of the radiometers, which are SPDT switch, low-noise amplifier (LNA), and power detector, are presented. Then, the implementation and experimental test results of the total power and Dicke radiometers are demonstrated. The total power radiometer has a noise equivalent temperature difference (NETD) of 0.11K, assuming an external calibration technique. In addition, the dependence of the NETD of the total power radiometer upon the gain-fluctuation is demonstrated. The NETD of the total power radiometer is 1.3K assuming a gain-fluctuation of %0.1. The front-end receiver of the total power radiometer occupies an area of 1.3 mm2. The Dicke radiometer achieves an NETD of 0.13K, for a Dicke switching of 10 kHz, and its total chip area is about 1.7 mm2. The quiescent power consumptions of the total power and Dicke radiometers are 28.5 mW and 33.8 mW, respectively. The implemented radiometers show the lowest NETD in the literature and the Dicke switching concept is employed for the first time beyond 100 GHz. Second, we present the design methodologies, implemantation methods, and results of the sub-blocks of the frequency extension module, such as down-conversion mixer, frequency quadrupler, buffer amplifier, Wilkinson power divider, and dual-directional coupler. Later, the implemantation, characterization and experimental test results of the single-chip frequency extension module are demonstrated. The frequency extension module has a dynamic range of about 110 dB, for an IF resolution bandwidth of 10 Hz, with an output power which varies between -4.25 dBm and -0.3 dBm over the W-band. It has an input referred 1-dB compression point of about 1.9 dBm. The directivity of the frequency extension module is better than 10 dB along the entire W-band, and its maximum value is approximately 23 dB at around 75.5 GHz. Finally, the measured s-parameters of a W-band horn-antenna, which are performed by either the designed frequency extension module and a commercial one, are compared. This study is the first demonstration of a single-chip frequency extension module in a silicon-based semiconductor technology.
Benzer Tezler
- 0.13 µm SiGe BiCMOS W&D-Band receivers for passive millimeter-wave imaging applications
Milimetre dalga pasif görüntüleme sistemleri için 0.13 µm SiGe BiCMOS W&D-Band alıcılar
BERKTUĞ ÜSTÜNDAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAŞAR GÜRBÜZ
- Aktif tüm-geçiren anahtarlı kapasite filtrelerinin kaskad kafes yapılarla gerçeklenmesi
Cascaded lattice realization of active all-pass switched capacitor filters
DOĞAN ALKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. CEVDET ACAR
- 2.ve 3. nesil CDMA temelli mobil haberleşme protokolleri
2.and 3. generation mobile communication protocols based on CDMA
BARIŞ YAVUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2001
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. GÜNSEL DURUSOY
- Silisyumun yönlü aşındırılması ve mikroalgılayıcılar
Anisotropic etching of silicon and microsensors
F.ALİ ALDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. DURAN LEBLEBİCİ
- E ve F devreleriyle band geçiren aktif SC filtre tasarımı ve duyarlılık analizi
Design of band-poss active Sc filters with and F circuits and sensitivity analysis
FAHRİ ŞİMŞEK
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. A. N. GÖNÜLEREN