Characterization of 5G beam steering receiver IC

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2019-10-21
Department
Major/Subject
Micro- and Nanoelectronic Circuit Design
Mcode
ELEC3036
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
64
Series
Abstract
The testing and characterization of an IC is a major step in an IC design process. Building a test setup and performing various measurements are challenging and require extensive amount of time and resources. Comparing the measurement and simulation results is a crucial step to verify the real performance of an IC. This thesis describes implementing and performing IC measurements to characterize a 5G beam steering receiver IC. The IC has been manufactured using 28-nm CMOS technology, and it has four direct-conversion. The receiver has different blocks to experiment beam steering, blocker detection and pilot signal calibration techniques. Measurement hardware around the IC has been designed and manufactured based on a PCB with multiple high speed signal lines. Circuit and electromagnetic simulators have been extensively utilized in various tasks, such as matching and outlining microstrip lines. The PCB has been designed using Altium Designer environment and Rogers RO4350B as a substrate. Testing the performance and characterizing the IC include various type of measurements and equipment. To ease the measurements, measurement automation has been constructed using Matlab environment and Object-Oriented Programming. Matlab is used to control measurement equipment and the IC. Various measurement sequences have been written to automate numerous measurements, including gain, ICP, IIP3, Noise figure, ADC and FFT measurements. Prior to measurements, the IC has been wirebonded on the manufactured PCB, and the needed SMD components have been soldered by hand. After hardware fabrication, circuit blocks inside the IC have been tested and characterized. This includes blocks, such as DC, SPI, RF, ADC and FFT. Eventually, the measurement results have been compared to simulation results. Furthermore, the radiation pattern of the receiver has been measured in an anechoic antenna chamber. Concurrently, preliminary beam steering tests have been conducted. All the planned measurements have been carried out. The measurements yielded a little lower performance than the simulated performance. Nevertheless, the measured performance of the IC is adequate to study beam steering, blocker detection and pilot signal calibration techniques.

Mikropiirin testaus ja karakterisointi on tärkeä vaihe mikropiirin suunnitteluprosessissa. Testauslaitteiston rakentaminen ja mittauksien suorittaminen ovat haastavaa ja tarvitsevat todella paljon aikaa ja resursseja. Simulointi- ja mittaustuloksien vertailu on olennainen vaihe, jotta mikropiirin suorituskyky voidaan todentaa. Tässä diplomityössä kuvataan 5G-keilanohjaukseen kykenevän integroidun vastaanotinpiirin mittauksien toteuttaminen ja suorittaminen mikropiirin karakterisoimiseksi. Mikropiiri on valmistettu 28 nm:n CMOS-tekniikalla ja siinä on neljä suoramuunnosvastaanotinta. Vastaanotin sisältää erilaisia lohkoja keilanohjauksen, häiriösignaalin tunnistuksen ja ryhmäkalibrointitekniikoiden tutkimiseksi. Mikropiirin mittauksia varten suunniteltiin ja valmistettiin mittauslaitteisto, joka perustuu useita suuritaajuuslinjoja sisältävään piirilevyyn. Erilaisia simulaattoreita hyödynnettiin todella paljon erilaisissa tehtävissä, kuten mikroliuska rakenteiden piirtämisessä ja sovittamisessa. Piirilevyn suunnittelemiseen käytettiin Altium Designer ympäristöä ja piirilevyn substraattina toimi Rogers RO4350B. Mikropiirin suorituskyvyn testaus ja karakterisointi sisältävät paljon mittauksia ja erilaisten laitteiden käyttöä. Mittauksien helpottamiseksi rakennettiin mittausautomaatiota käyttämällä Matlab ohjelmistoa ja olio-ohjelmointia. Matlab kontrolloi mittauslaitteistoa ja mikropiiriä. Erilaisia mittaussekvenssejä kirjoitettiin automatisoimaan mittauksia, kuten vahvistuksen, kompression, intermodulaation, kohinan, analogia-digitaalimuuntimen ja nopean Fourier’n muunnoksen mittaamiseksi. Ennen mittauksien aloittamista mikropiiri liitettiin piirilevylle liitäntälankojen avulla ja tarvittavat pintaliitoskomponentit juotettiin käsin. Piirilevyn valmistuksen jälkeen mikropiirin lohkot testattiin ja karakterisoitiin. Näitä lohkoja ovat DC, SPI, RF, ADC ja FFT lohkot. Lopuksi mittaustuloksia verrattiin simulointituloksiin. Näiden mittauksien lisäksi vastaanottimen säteilykuvio mitattiin kaiuttomassa huoneessa ja samalla kokeiltiin keilanohjausta. Kaikki suunnitellut mittaukset toteutettiin. Mittaustulokset osoittivat mikropiirin suorituskyvyn olevan hieman pienempi kuin simuloitu suorituskyky. Mitattu suorituskyky oli kuitenkin riittävä keilanohjauksen, häiriösignaalin tunnistuksen ja ryhmäkalibroinnin tutkimiseen.
Description
Supervisor
Ryynänen, Jussi
Thesis advisor
Stadius, Kari
Keywords
5G, IC characterization, beam steering, blocker detection, array calibration, mobile communications
Other note
Citation