Berkeley 2010 博士论文 mm-Wave Phase Shifters and Switches

northfish

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Contents
List of Figures iii
List of Tables vii
1 mm-Wave opportunities and choice of technologies 1
1.1 mm-Wave opportunities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 60GHz connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Automotive radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.4 Point to point links, Gigabit ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Standard digital CMOS vs. SiGe technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Cost of the process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Quantitative comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.4 Choice of technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Transmit/Receive Switching 16
2.1 Antenna array reuse via T/R switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 On-chip or On-package antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2 Size and loss trade-off in a transmit/receive array . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 T/R switching configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 Series vs Shunt switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 The transformer based shunt switching structure . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Design equations of a transformer based T/R switch . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 Equivalent shunt loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2 Center frequency and matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.3 Insertion Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.4 Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.5 Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 Transformer based switch design example in 90nm CMOS . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.1 MOS transistors performance in switch mode . . . . . . . . . . . . . . . . 29
ii
2.4.2 Prototype design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Prototype Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 Phased Array Structures 37
3.1 Fundamentals of phased arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Advantages of phased arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 Different phase shifting schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.1 Digital phased arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.2 LO domain phase shifting scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.3 RF domain phased arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4 Automotive radar link budget and the required size of the array . . . . . . . . . . . 44
3.4.1 Radar Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.2 Array size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5 Phase shifters or delay elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 True Time Delay Elements 52
4.1 Tunable delay structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.1 Slow wave transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.2 Synthesized transmission lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Inductance tuning technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3 Passive mode implementation of delay elements employing inductance multiplication
technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4 Active mode implementation of delay elements employing inductance multiplication
technique (variable delay amplifiers) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5 Phase Shifting Structures 69
5.1 Passive phase shifters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1.1 Varactor-based passive phase shifting structures . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1.2 Butler mixer and high/low pass filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2 Active phase shifter : I-Q interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2.1 I-Q Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.2 Variable Gain Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.3 Signal dividers / combiners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3 mm-Wave implementation of the active phase shifter . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.1 Transformer matching networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3.2 Measurement results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6 Conclusion 95
Bibliography 98

chujn

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zain

厉害的东西

wangjin0215

xiexie

ana192712

回复 1# northfish

hnwulei

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fhy

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an20080029

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