Low-noise monolithic millimeter-wave integrated circuits and a radiometric imaging system

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Tuovinen, Jussi, Dr., MilliLab, VTT Technical Research Centre of Finland, Finland
dc.contributor.advisor Luukanen, Arttu, Dr., MilliLab, VTT Technical Research Centre of Finland, Finland
dc.contributor.author Kantanen, Mikko
dc.date.accessioned 2017-01-05T10:00:32Z
dc.date.available 2017-01-05T10:00:32Z
dc.date.issued 2016
dc.identifier.isbn 978-952-60-7206-7 (Aalto, electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7207-4 (Aalto, printed)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8485-7 (VTT, electronic)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8486-4 (VTT, printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (Aalto, electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (Aalto, printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (Aalto, ISSN-L)
dc.identifier.issn 2242-1203 (VTT, electronic)
dc.identifier.issn 2242-119X (VTT, printed)
dc.identifier.issn 2242-119X (VTT, ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/24076
dc.description.abstract This thesis focuses on design and characterization of low-noise millimeter-wave devices and circuits, especially for radiometers. In addition, a millimeter-wave imaging system based on a radiometer is presented. The thesis is based on seven scientific articles and an overview of the research area including a summary of the main results of the work. An automated measurement system for wideband on-wafer noise parameter determination of transistors has been developed for 50-75 GHz. The system can be utilized to develop and verify noise models of integrated transistors regardless the manufacturing technology. Noise parameters of a passive and an active circuit are presented. Noise parameters Fmin = 2.65 dB, rn = 0.25, and Γopt = 0.57∠121° have been measured for an indium phosphide high electron mobility transistor. Active cold loads based on monolithic millimeter-wave integrated circuits have been developed for millimeter-wave frequencies. The active cold loads have been realized using MHEMT technology and their suitability for radiometer calibration have been demonstrated. Noise temperatures of 75 K and 141 K are achieved at 31.4 GHz and 50-54 GHz, respectively. Monolithic millimeter-wave integrated circuit low-noise amplifiers for millimeter-wave operation have been designed and characterized. The amplifiers have been manufactured using the metamorphic high electron mobility transistor technology and they cover specific frequency bands within 75-200 GHz. Noise figures of 3.0-3.5 dB, 5.2 dB, and 7.5 dB are achieved with the 100 nm process at 94 GHz, 153 GHz, and 183 GHz, respectively. With the 50 nm process, the noise figure of 5.2 dB is achieved at 165 GHz. All amplifiers have more than 18 dB of gain. A millimeter-wave imaging system has been designed and realized. The system is capable to produce images of noise temperature variation using a single radiometer and a mechanically scanned antenna. The feasibility of millimeter-wave imaging for security and surveillance applications is demonstrated by millimeter-wave images taken with the system.. en
dc.description.abstract Tämä väitöskirja keskittyy millimetriaaltoalueen radiometreihin soveltuvien vähäkohinaisten piirien ja komponenttien suunnitteluun ja karakterisointiin. Lisäksi työssä esitetään radiometriin perustuva millimetriaaltokuvausjärjestelmä. Väitöskirja koostuu seitsemästä tieteellisestä artikkelista sekä tutkimuksen päätulokset sisältävästä tutkimusaiheen yhteenvedosta. Työssä on kehitetty automatisoitu laajakaistainen mittausjärjestelmä transistorien kohinaparametrien määrittämiseen suoraan puolijohdekiekolta tai -sirulta 50-75 GHz taajuusalueelle. Mittausjärjestelmää voidaan hyödyntää integroitujen transistorien kohinamallien kehittämiseen ja verifiointiin transistorien valmistusteknologiasta riippumatta. Työssä esitetään aktiiviselle ja passiiviselle piirille mitatut kohinaparametrit. Indiumfosfidi-pohjaiselle HEMT-transistorille mitattiin kohinaparametrit Fmin = 2.65 dB, rn = 0.25 ja Γopt = 0.57∠121°. Työssä on kehitetty MMIC-tekniikalla valmistettuja aktiivisia kylmäkuormia millimetriaaltotaajuuksille. Kylmäkuormat toteutettiin metamorfisella HEMT-teknologialla ja työssä osoitettiin niiden sopivuus radiometrin kalibrointiin. Kylmäkuormille mitatut kohinalämpötilat olivat 75 K 31.4 GHz:n taajuudella ja 141 K 50-54 GHz:n kaistalla. Työssä suunniteltiin ja karakterisoitiin MMIC-tekniikalla toteutettuja vähäkohinaisia vahvistimia millimetriaaltoalueelle. Vahvistimet valmistettiin MHEMT-teknologialla ja ne suunniteltiin toimimaan valituille taajuuskaistoille 75-200 GHz:n taajuusalueella. Saavutetut kohinaluvut 100 nm:n prosessilla ovat 3.0-3.5 dB 94 GHz:n taajuudella, 5.2 dB 153 GHz:n taajuudella sekä 7.2 dB 183 GHz:n taajuudella. 50 nm:n prosessilla saavutettiin 5.2 dB:n kohinaluku 165 GHz:n taajuudella. Kaikkien vahvistimien vahvistus on yli 18 dB. Työssä suunniteltiin ja toteutettiin millimetriaaltokuvausjärjestelmä. Järjestelmä tuottaa kuvan kohinalämpötilan vaihtelusta yhtä radiometriä käyttäen mekaanisesti keilaamalla. Järjestelmällä otetut kuvat osoittavat millimetriaaltokuvauksen soveltuvuuden turvatarkastukseen tai aluevalvontaan. fi
dc.format.extent 110 + app. 64
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 270/2016
dc.relation.ispartofseries VTT Science en
dc.relation.ispartofseries 145
dc.relation.haspart [Publication 1]: Kantanen, M., Lahdes, M., Vähä-Heikkilä, T., Tuovinen, J., “A wide-band on-wafer noise parameter measurement system at 50-75 GHz,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 51, no. 5, pp. 1489-1495, May 2003. DOI: 10.1109/TMTT.2003.810129
dc.relation.haspart [Publication 2]: Kantanen, M., Weissbrodt, E., Varis, J., Leuther, A., Seelmann-Eggebert, M., Rösch, M., Schlecthweg, M., Poutanen, T., Sundberg, I., Kaisti, M., Altti, M., Jukkala, P., Piironen, P., “Active cold load MMICs for Ka-, V-, and W-bands,” IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 9, no. 8, pp. 742-747, May 2015. DOI: 10.1049/iet-map.2014.0243
dc.relation.haspart [Publication 3]: Varonen, M., Kärkkäinen, M., Kantanen, M., Laaninen, M., Karttaavi, T., Weber, R., Leuther, A., Seelmann-Eggebert, M., Närhi, T., Lahtinen, J., Halonen, K.A.I, “W-band low noise amplifiers,” Proceedings of the European Microwave Association, vol. 3, no. 4, pp. 358-366, Dec. 2007.
dc.relation.haspart [Publication 4]: Kantanen, M., Kärkkäinen, M., Varonen, M., Laaninen, M., Karttaavi, T., Weber, R., Leuther, A., Seelmann-Eggebert, M., Närhi, T., Lahtinen, J., Halonen, K.A.I, “Low noise amplifiers for D-band,” Proceedings of the European Microwave Association, vol. 4, no. 4, pp. 268-275, Dec. 2008.
dc.relation.haspart [Publication 5]: Kärkkäinen, M., Kantanen, M., Caujolle-Bert, S., Varonen, M., Weber, R., Leuther, A., Seelmann-Eggebert, M., Alanne, A., Jukkala, P., Närhi, T., Halonen, K.A.I., “MHEMT G-band low-noise amplifiers,” IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 4, no. 4, pp. 459-468, July 2014. DOI: 10.1109/TTHZ.2014.2327383
dc.relation.haspart [Publication 6]: Kantanen, M., Kärkkäinen, M., Caujolle-Bert, S., Varonen, M., Weber, R., Seelmann-Eggebert, M., Leuther, A., Jukkala, P., Närhi, T., Halonen, K.A.I., “Low noise amplifiers for G-band radiometers,” in Proceedings of joint 6th ESA Workshop on Millimetre-Wave Technology and Applications and the 4 Global Symposium on Millimeter Waves (GSMM), Espoo, Finland, 2011, pp. 1-4.
dc.relation.haspart [Publication 7]: Kantanen, M., Lahdes, M., Tuovinen, J., “Passive millimeter-wave imager,” in Proceedings of International Joint Conference of the Seventh Topical Symposium on Millimeter Waves and the Sixth MINT Millimeter-wave International Symposium, Seoul, South Korea, 2005, pp. 240-243.
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Low-noise monolithic millimeter-wave integrated circuits and a radiometric imaging system en
dc.title Millimetriaaltoalueen vähäkohinaiset integroidut piirit sekä millimetriaaltoalueen kuvausjärjestelmä fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Radiotieteen ja -tekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Radio Science and Engineering en
dc.subject.keyword millimeter-waves en
dc.subject.keyword millimeter-wave imaging en
dc.subject.keyword monolithic micro-/millimeter-wave integrated circuits en
dc.subject.keyword low-noise amplifiers en
dc.subject.keyword active cold loads en
dc.subject.keyword noise parameter measurements en
dc.subject.keyword millimetriaallot fi
dc.subject.keyword millimetriaaltokuvaus fi
dc.subject.keyword monoliittiset mikro- tai millimetriaaltoalueen integroidut piirit fi
dc.subject.keyword vähäkohinaiset vahvistimet fi
dc.subject.keyword aktiiviset kylmäkuormat fi
dc.subject.keyword kohinaparametrimittaukset fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7206-7
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Räisänen, Antti, Prof., Aalto University, Department of Radio Science and Engineering, Finland
dc.opn Zirath, Herbert, Prof., Chalmers University of Technology, Sweden
dc.date.dateaccepted 2016-11-30
dc.rev Bolognesi, Colombo R., Prof., Swiss Federal Institute of Technology, ETH Zürich, Switzerland
dc.rev Kangaslahti, Pekka, Dr., Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, USA
dc.date.defence 2017-01-27


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account