silicon based RF-frontends for ultra wideband radio

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1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Organization of the Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 UltraWideband Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 Wireless World of Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 WPAN,WLAN,WWAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 UWB Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 UWB Applications: High Speed Short Range Communication,
Long Range Localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 UWB Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4 Advantages of UltraWideband overNarrow-band Systems . . . . . . . . . 8
2.5 UWB Transceiver Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5.1 Impulse Radio (IR) UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5.2 MB-OFDMUWB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.6 Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7 Link Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 UWB Distributed Low Noise Amplifiers (DLNA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1 Wideband LNAMatching. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Background: Distributed Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 CMOS Performance-optimizedDLNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4 Noise Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.4.1 Background and Current State of Knowledge . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.2 Noise Contribution ofMOS Transistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4.3 Noise Contribution of Source and Load Impedances . . . . . . . . 31
3.4.4 Calculation and Optimization of the OverallNF. . . . . . . . . . . . 32
3.5 LinearityAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.6 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 Distributed RF Front-End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1 UWB Zero/Low IF Dual Conversion Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
vii
viii Contents
4.2 UWB-DRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.1 Composite LNTA/Mixer Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.2 Programmable Input RF TL Termination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2.3 Conversion Gain Calculation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5 Distributed RF Front-End for UWB Direct Conversion Receiver . . . . . . 57
5.1 Distributed RF Front-End for Direct Conversion Receiver . . . . . . . . . . 57
5.2 Current Equalization to Remove IQ Gain/Phase Imbalances . . . . . . . . 60
5.3 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6 Distributed Active Power Combiners and Splitters forMulti-Antenna
UWB Beamforming Transceivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.1 MA-UWB Transceiver Architectureswith Beamforming . . . . . . . . . . . 72
6.2 Distributed Power Combiner and Splitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.2.1 Distributed Architecture with Broadband Variable
Gain and Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.2.2 DistributedActive Power Combiners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2.3 Distributed Active Power Splitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.4 Power Splitters and Combiners with Shunt Peaking Inductors 81
6.3 ExperimentalResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

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