Integrated True-Time-Delay Beamforming Receivers

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-12-15
Date
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
87 + app. 45
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 178/2023
Abstract
Advances in complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) integrated circuit (IC) technology have enabled the sophisticated wireless communication systems in use today. To respond to the demand for ever increasing data traffic volumes, the performance of these systems needs to improve to increase the capacity of data transfer. Beamforming is one of the technologies enabling improvements in the upcoming 5G communication systems. Beamforming with antenna arrays allows increased data throughput through spatial multiplexing, lower energy consumption through directed radio transmission and in-band spatial filtering for relaxed dynamic range and, therefore, power requirements. The often used implementation of beamforming with phased arrays limits the instantaneous bandwidth due to the use of the narrow-band approximation of propagation delay as phase shift. This bandwidth limitation can be overcome by replacing the beamforming phase shifts with true-time-delays (TTDs). Solutions for TTD beamforming are thus required to enable beamforming also for wideband radio systems. This thesis explores resampling true-time-delays as an integrated solution for beamforming receivers. The resampling TTDs are demonstrated with two prototype receiver ICs. The first prototype in 28-nm FD-SOI CMOS verified the resampling TTDs as a part of a radio frequency (RF) receiver front-end. The prototype achieved an 800 MHz instantaneous beamformed bandwidth across a 0.6--4 GHz frequency range with area and power consumption that is an order of magnitude lower compared to prior solutions. A second prototype in 22-nm FD-SOI CMOS demonstrated a beamforming receiver based on the resampling TTDs that can be reconfigured between analog and digital beamforming modes. This reconfigurability is achieved by integrating an ADC with the TTD. The second prototype achieved beamforming for a 2 GHz instantaneous bandwidth reaching 100 % fractional bandwidth at the low end of the 1--6 GHz frequency range. The second prototype was also used to demonstrate TTD beam-nulling which enables a frequency-independent notch direction for improved in-band spatial filtering. The implementations demonstrate the benefits of the resampling true-time-delays.

Mikropiiriteknologian kehitys on mahdollistanut nykyisin käytössämme olevat kehittyneet langattomat kommunikaatiojärjestelmät. Näiden järjestelmien datansiirtokapasiteetin on kehityttävä, jotta ne pystyvät vastaamaan tulevaisuuden tarpeisiin datansiirron määrän suhteen. Antenniryhmillä tehty keilanmuodostus on yksi teknologioista, joilla tulevien 5G-järjestelmien suorituskykyä parannetaan. Keilanmuodosksen erottelukyky suunnan perusteella kasvattaa verkon datansiirtokapasiteettia mahdollistamalla usealle käyttäjälle kommunikoinnin samalla taajuudella ja samaan aikaan. Lisäksi verkon energiankulutus laskee, kun keilanmuodostava lähetin säteilee vain vastaanottajan suuntaan, ja kun vastaanotossa voidaan suodattaa käytettävän signaalikaistan sisältä eri suunnasta tulevia häiriösignaaleja. Yleisesti käytetty vaihesiirtoilla toteutettu keilanmuodostus perustuu likiarvoistukseen signaalin etenemisestä aiheutuvan viiveen ja vaihesiirron välillä. Tämä likiarvoistus rajoittaa keilanmuodostuksen suhteellista hetkellistä kaistanleveyttä. Jotta keilanmuodostusta voidaan tehdä laajakaistaiselle signaalille, vaihesiirroton korvattava viiveillä. Piiriratkaisuille viiveiden toteuttamiseksi on siis tarvetta. Tämä työ tutkii uudelleennäytteistämiseen perustuvaa mikropiirille integroitavaa viiveratkaisua. Uudelleennäytteistysviiveiden toimintaa radiovastaanottimissa on demonstroitu kahdella prototyyppimikrosirulla. Ensimmäinen 28 nanometrin teknologilla toteutettu prototyyppi osoittaa uudelleennäytteistysviiveillä toteutetun keilanmuodostuksen toimivuuden radiovastaanottimessa. Siinä saavutetaan keilanmuodostus 800 megahertsin hetkelliselle kaistanleveydelle 0.6--4 gigahertsin taajuusalueella. Tämä keilanmuodostus saavutetaan kertaluokkaa pienemmällä pintaalalla ja tehonkulutuksella verrattuna aiempiin viiveisiin perustuviin toteutuksiin. Toinen 22 nanometrin teknologialla toteutettu prototyyppisiru havainnollistaa uudellennäytteistysviiveitä käyttävän keilanmuodostavan vastaanottimen, joka on konfiguroitavissa analogisen ja digitaalisen keilanmuodostuksen välillä. Tämä konfiguroitavuus saavutetaan integroimalla analogia-digitaalimuunnin viivetoteutuksen yhteyteen. Toinen prototyyppi havainnolliisti keilanmuodostuksen 2 gigahertsin hetkelliselle kaistalle yltäen 100 prosentin suhteelliseen kaistanleveyteen 1--6 gigahertsin taajuusalueen alapäässä. Toisella prototyypillä havainnollistetaan myös viiveillä toteutettu keilan nollaus, joka mahdollistaa taajuusriippumattoman suunnan mukaan tehdyn suodatuksen. Työn kaksi prototyyppitoteutusta osoittavat uudelleennäytteistysviiveiden tehokkuuden laajakaistaisessa keilanmuodostuksessa.
Description
Supervising professor
Ryynänen, Jussi, Prof., Aalto University, Finland
Thesis advisor
Kosunen, Marko, Dr., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Unnikrishnan, Vishnu, Dr., Tampere University, Finland
Keywords
integrated circuits, beamforming, true-time-delay, radio receivers, integroidut piirit, keilanmuodostus, viivepohjainen, radiovastaanotin
Other note
Parts
  • [Publication 1]: K. Spoof, V. Unnikrishnan, M. Zahra, K. Stadius, M. Kosunen, and J. Ryynänen. True-Time-Delay Beamforming Receiver With RF Re- Sampling. IEEE Transactions on Circuits and Systems-I: Regular Papers, vol. 67, no. 12, pp. 4457–4469, December 2020.
    DOI: 10.1109/TCSI.2020.3005475 View at publisher
  • [Publication 2]: K. Spoof, M. Zahra, V. Unnikrishnan, K. Stadius, M. Kosunen, and J. Ryynänen. A 0.6–4.0 GHz RF-Resampling Beamforming Receiver with Frequency-Scaling True-Time-Delays up to Three Carrier Cycles. IEEE Solid-State Circuits Letters, vol. 3, pp. 234–237, July 2020.
    DOI: 10.1109/LSSC.2020.3012654 View at publisher
  • [Publication 3]: K. Spoof, M. Tenhunen V. Unnikrishnan, K. Stadius, M. Kosunen, and J. Ryynänen. True-Time-Delay Receiver IC with Reconfigurable Analog and Digital Beamforming. IEEE Access, vol. 10, pp. 116375 - 116383, November 2022.
    DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3219938 View at publisher
  • [Publication 4]: K. Spoof, M. Tenhunen V. Unnikrishnan, K. Stadius, M. Kosunen, and J. Ryynänen. A 0.8-6 GHz True-Time-Delay Beam-Nulling Receiver Front-End. In 2022 29th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), Glasgow, United Kingdom, 4 pages, October 2022.
    DOI: 10.1109/ICECS202256217.2022.9971095 View at publisher
Citation