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Broadband transceiver circuits for millimeter-wave wireless communication

 
: Lopez-Diaz, D.
: Kallfass, I.

Stuttgart, 2014, 130 pp.
Stuttgart, Univ., Diss., 2014
English
Dissertation
Fraunhofer IAF ()

Abstract
In der vorliegenden Arbeit werden breitbandige elektronische Sender und Empfänger für die drahtlose Kommunikation im hohen Millimeterwellen (mmW) Frequenzbereich um 240 GHz untersucht.
Funksysteme in diesem Frequenzbereich werden üblicherweise als "Terahertz"-Kommunikation bezeichnet. Die dort verfügbaren absoluten Bandbreiten ermöglichen höchste Datenraten und schließen somit potentiell die technologische Lücke zwischen schneller, leitungsgebundener und bisher vergleichsweise langsamer, drahtloser Kommunikation. Zu diesem Zweck werden in dieser Arbeit frequenzumsetzende, monolithisch integrierte, Millimeterwellenschaltungen auf Basis des am Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) entwickelten metamorphen high electron mobility Transistors (mHEMT) entworfen. Diese Technologie ist aufgrund des niedrigen Eigenrauschens und der sehr hohen Grenzfrequenzen eine der wenigen Halbleitertechnologien, die für aktive integrierte Schaltungen in diesem Frequenzbereich geeignet sind. Die Erschließung der verfügbaren Bandbreite stellt allerdings hohe Ansprüche an das Schaltungsdesign für die breitbandige Frequenzkonversion im hohen mmW Frequenzbereich. Die mHEMT-Transistoren mit ihren hohen Grenzfrequenzen müssen möglichst leistungseffizient und breitbandig als frequenzumsetzende, nichtlineare Bauelemente betrieben und mit passiven und Impedanz-transformierenden Bauelementen zu integrierten Schaltungen erweitert werden. Die besondere Herausforderung stellt dabei die Kombination aus hoher Mittenfrequenz, Bandbreite und multifunktionaler Integration dar. Dabei müssen alle Komponenten, einzeln und im System, die Ansprüche einer digitalen Datenübertragung per Funk wie z.B. hohe Empfindlichkeit und Linearität erfüllen. Mit steigender Frequenz müssen darüber hinaus beim Schaltungsentwurf parasitäre Effekte berücksichtigt werden, die bei niedrigeren Frequenzen vernachlässigt werden können. Dazu zählt unter anderem die Ausbreitung und Kopplung der elektromagnetischen Wellen durch das Halbleitersubstrat. Zur wissenschaftlichen Untersuchung verschiedener Schaltungskonzepte für die Frequenzumsetzung werden in dieser Arbeit Transistor-basierende aktive und passive Mischer analysiert, entworfen und charakterisiert. Oftmals kann in diesem Frequenzbereich die erforderliche Lokaloszillator-Leistung nur mit erheblichem Aufwand erzeugt werden. Aus diesem Grund sind subharmonische Schaltungskonzepte mit einem Lokaloszillator bei kleineren Frequenzen von besonderem Interesse. Die kleinen Wellenlängen in diesem Frequenzband erlauben die on-chip Integration von 0° und 90° Leitungskopplern für Balancierte- und Quadraturmischer. Gleichzeitig steigt bei diesen extrem kurzen Wellenlängen der Einfluss aller Leitungselemente und erfordert die elektro-magnetische Feldsimulation der meisten Leitungsstrukturen während des Schaltungsentwurfs. Die Kombination mit Hochfrequenz-Verstärkern zu multi-funktional integrierten Sendern und Empfängern vereint die Vorteile kompakter Abmessungen, Leistungsfähigkeit und Kosteneffizienz. Die in dieser Arbeit entwickelten, monolithisch integrierten, aktiven Sender- und Empfänger bilden das funktionale Herzstück einer 240 GHz Funkstrecke, mit der erstmals Daten mit bis zu 40 Gbit/s drahtlos im Single-Input Single-Output (SISO) Verfahren übertragen wurden. Als Teil eines Langstreckendemonstrators ermöglichten sie die Übertragung von bis zu 24 Gbit/s über eine Distanz von 1.1 km. Durch die sehr großen Bandbreiten, wird eine nahtlose Integration in faseroptische Netze möglich, die zum Teil noch einfache und daher breitbandige Modulationsformate wie On-Off Keying (OOK) einsetzen. Neben diesen simplen Modulationsverfahren erlauben die subharmonischen Quadraturmischer auch die Übertragung von spektral effizienter Phasenumtastung (PSK).

 

In the present work, broadband millimeter wave (mmW) receiver and transmitter circuits for wireless communication in the frequency range around 240 GHz are investigated.
Radio systems in this frequency range are commonly referred to as "Terahertz" communication. The absolute available bandwidths in the mmW frequency range allow high data rates and thus potentially close the technological gap between fast but wired and the comparatively slow and wireless communication. For this purpose, monolithic integrated millimeter wave mixer circuits are designed and analyzed in this work, based on the metamorphic high electron mobility transistor (mHEMT), developed at the Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics (IAF). This technology is one of the few semiconductor technologies which are suitable for active integrated circuits in this high frequency range due to the low noise and high cutoff frequencies. However, the exploitation of the available bandwidth places high demands on the circuit design of broadband frequency conversion circuits in the upper mmW frequency range. The mHEMT transistors with their high cutoff frequencies must be operated efficiently as broadband, non-linear components and extended together with passive and impedance-transforming devices to multifunctional integrated circuits. The major design challenge is the combination of high center frequency, bandwidth, and multifunctional integration. All system components must meet, combined and individually, the demands of a digital wireless data transmission, such as high sensitivity and linearity. With increasing frequency, parasitic effects have also to be taken into account during circuit design which can be neglected at lower frequencies. These include, amongst others, the coupling and propagation of electromagnetic waves through the semiconductor substrate. For the scientific investigation of various circuit topologies for frequency conversion, transistor-based active and passive mixers are analyzed, designed and characterized in this work. In this frequency range, the required local oscillator power can often only be generated with considerable effort. For this reason, circuit designs with a subharmonic local oscillator, located at lower frequencies, are of special interest. The small wavelengths in this frequency band allow the on-chip integration of 0 ° and 90 ° line couplers for balanced and quadrature mixers. At the same time, the influence of all line elements increases with this extremely short wavelength and requires the electromagnetic field simulation of the layout structures during the circuit design. The integration with high-frequency amplifiers combines the advantages of compact size, performance and cost effectiveness. The active monolithic integrated transmitter and receiver, developed in this work, form the functional core of a 240 GHz radio link, which was able to transmit data with up to 40 Gbit/s for the first time in a single-input single-output (SISO) configuration. As part of a long range demonstrator, they allowed the transmission of up to 24 Gbit/s over a distance of 1.1 km. The seamless integration into fiber optical networks, which are partly still using wideband modulation formats such as on-off keying (OOK), is possible due to the very large RF and baseband bandwidths. In addition to these simple modulation methods, the sub-harmonic quadrature mixers also allow the transmission of spectrally efficient phase shift keying (PSK).

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-323897.html