Design and characterization of monolithic millimeter-wave integrated circuits for receiver front-ends

Abstract

This dissertation focuses on millimeter-wave front-ends and technologies and, especially, on integrated circuits operating at millimeter-wave frequencies. Several issues concerning millimeter-wave circuits are discussed, such as transmission lines and transistor models for small-signal simulations and noise characterization. The applications for these circuits vary from 60-GHz high-speed radio links to atmospheric precipitation measurement systems operating up to the water molecule resonance frequency of 183 GHz. In chapter 3, the transistor model is calculated from measured data using saturation measurements only. The de-embedding is obtained using open and short coplanar waveguide structures. By calculating the extrinsic parasitics using linear regression, the small-signal parameters of the transistor model can be calculated and then simulated up to 110 GHz. The noise model is calculated based on the measured V-band (50–75 GHz) noise parameters and the corresponding noise matrices related to the open and short structures as well as the extrinsic parasitics. The values obtained for the noise sources and their correlation make wideband simulations of the transistor noise characteristics possible. The small-signal model, including the noise sources, can be used to simulate three different realized amplifiers and the results are compared to the measured data. These simulations show a very good agreement between the measured data and the simulated values. Certain select design principles related to millimeter-wave, low-noise amplifiers and mixers are presented as well. This includes front-end system aspects as well as transistor selection issues. Chapter 5 discusses the issues related to millimeter-wave measurements in detail. The losses of different parts of the measurement setup, such as the back-to-back probe loss from two separate measurements and harmonic mixer, are shown. The noise measurements at these frequencies require special attention since the setup requires downconversion of the noise signal either within the device under test or externally with a separate measurement mixer. Empirical results are presented for both compound semiconductor and silicon -based circuits, namely GaAs HEMT and CMOS technologies. The measured results for the low-noise amplifiers are presented at operating frequencies of 94, 155, and 183 GHz. The 183 GHz amplifier achieved a gain of 16 dB and a 7.4-dB noise figure. In addition, two receiver front-ends are presented. One is realized with 150-nm GaAs PHEMT and the other with 65-nm CMOS technology. The GaAs receiver front-end consists of a three-stage, low-noise amplifier and an image-rejecting resistive mixer, while the silicon-based circuit has a balanced active mixer integrated with a five-stage amplifier.

Tämä väitöskirja käsittelee millimetriaaltoalueen radioetupään suunnittelua ja toteutusta erilaisilla mikropiirien valmistusteknologioilla. Erityisesti käsitellään millimetriaaltoalueen piireihin liittyviä asioita, kuten siirtojohtoja ja transistorimalleja piensignaalisimuloinneissa sekä kohinan mallintamista. Näille piireille löytyy useita erilaisia sovelluksia, kuten esimerkiksi nopeat 60 GHz:n radiolinkit ja ilmakehän kosteuspitoisuusmittaukset vesimolekyylin resonanssitaajuudelle 183 GHz:iin asti. Transistorimalli on laskettu mitatusta datasta käyttäen hyväksi ainostaan saturaatiossa saatuja tuloksia. Transistorin ominaisuuksien laskemisessa käytetään myös koplanaariseen siirtojohtoympäristöön suunniteltuja avointa ja oikosuljettua testirakennetta. Ulkoiset parasiittiset ominaisuudet lasketaan lineaarisen regression avulla ja niiden vaikutuksen poistamisen jälkeen lasketulla piensignaalimallilla simuloidaan transistorin ominaisuuksia 110 GHz:iin asti. Kohinamalli perustuu V-alueen (50-75 GHz) kohinaparametrimittauksiin sekä avoimen ja oikosuljetun testirakenteen kohinamatriiseihin. Näin saatujen kohinalähteiden ja niiden korrelaation avulla voidaan simuloida transistorin kohinaominaisuuksia laajalla kaistalla. Lisäksi kohinalähteet sisältävän piensignaalimallin avulla simuloidaan kolmea erilaista vahvistinta ja tuloksia verrataan mitattuihin arvoihin. Nämä simulaatiot vastaavat erittäin hyvin mitattuja tuloksia. Kirjassa käsitellään myös muutamia millimetriaaltoalueen vähäkohinaisiin vahvistimiin ja sekoittimiin liittyviä suunnitteluperiaatteita. Niitä ovat etupäähän liittyvät järjestelmänäkökohdat sekä transistorin valintaan liittyvät asiat. Mittaustekniikkaa esittelevässä kappaleessa esitellään muutamia millimetriaaltoalueen mittauksiin vaikuttavia erityispiirteitä yksityiskohtaisemmin. Mitttauslaitteiston eri osien, kuten mittakärkien ja harmonisen sekoittimen, aiheuttamia häviöitä tutkitaan. Millimetriaaltoalueen kohinamittaukset vaativat erityistä huomiota, koska mittauslaitteistoon täytyy liittää alassekoitus, joko toteutettuna mitattavalla piirillä itsellään tai ulkoisen harmonisen sekoittimen avulla. Empiirisiä tuloksia esitellään niin yhdistepuolijohde- kuin pii-piireiltä mitattuina tuloksina, erityisesti GaAs-HEMT- ja CMOS-teknologioilla toteutetuista piireistä. Tuloksia esitetään vähäkohinaisista vahvistimista 94, 155 ja 183 GHz:n taajuusalueille. 183 GHz:n vahvistin saavuttaa 16 dB vahvistuksen ja 7,4 dB kohinaluvun. Lisäksi kaksi 60 GHz:n radioetupäätä on toteutettu ja mitattu. Toinen on valmistettu 150 nm GaAs PHEMT -teknologialla ja toinen 65 nm CMOS-teknologialla. GaAs-radioetupää sisältää 3-asteisen vahvistimen ja peilitaajuutta vaimentavan sekoittimen, kun taas piillä toteutettu radioetupää koostuu balansoidusta aktiivisekoittimesta ja 5-asteisesta vahvistimesta.