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Energy-Ecient 60GHz Phased-Array Design for Multi-Gb/s Communication System

table of content
Contents ii
List of Figures v
List of Tables viii
1 Introduction 1
1.1 The 60GHz Band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Link Budget with Limited Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Design Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Structure of Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Phased-Array Architectures for Energy-Ecient Communication 5
2.1 Introduction to Phased-Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Choice of Number of Elements in a Phased-Array . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2 Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Phased-Array Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 RF Phase Shifting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 LO Phase Shifting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.3 Baseband Phase Shifting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.4 Transmitter Phased-Array Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Phase Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Modulation Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Implementation of Baseband Phase Shifting 20
3.1 Implementation of Phase Shifter Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Eect of I/Q Mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Implementations of VGAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.1 Variable Current Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.2 Segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.3 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4 Power Reduction in Segmented Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.5 Phase Shifter Demonstration and Measurement Results . . . . . . . . . . . . 27
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 Energy-Ecient Phased-Array Transmitter 30
4.1 Low Overhead Transmitter Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2 Proposed Transmitter Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 Circuit Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.3.1 Oscillator Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3.1.1 Oscillator Startup Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3.1.2 Faster Startup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3.1.3 Shut-down of Oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.2 Power Amplier Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 Timing Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.5 Transmitter Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5.1 Waveform Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5.2 Phased-Array Functionality Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5 Energy-Ecient Phased-Array Receiver 49
5.1 Stacked Mixer with LO Buer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2 Hybrid Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.3 Incorporating the Mixer with the 60GHz LO Generation . . . . . . . . . . . 55
5.3.1 Stacked 30GHz VCO with Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3.2 Stacked Push-Push with Mixer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.2.1 Optimization of Push-Push Inductance . . . . . . . . . . . . 57
5.3.2.2 Sharing LO between Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3.2.3 Sizing of Push-Push . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3.3 30GHz Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4 Receiver Demonstration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.4.1 Bandwidth Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.4.2 LO Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6 On-Chip mm-Wave Antennas 69
6.1 On-Chip Antenna Eciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.1.1 Slot-Loop Antenna Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.1.1.1 Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.1.1.2 Gap Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.1.1.3 Substrate Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2 Multiple-Access On-Chip Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2.1 Antenna Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.2.2 Reducing Loading Eect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.3 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3.1 Measured Transmitter Power and Receiver Gain . . . . . . . . . . . . 78
6.3.2 Antenna Pattern Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7 Fully Integrated 4-Element Phased-Array 82
7.1 Phased-Array Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.1.1 Transmitter Phased-Array Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.1.2 Receiver Phased-Array Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
7.2 Link Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
7.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8 Conclusions 89
8.1 Thesis Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.2 Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Bibliography 92

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bing112

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guangguangzhige

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mar099

60GHz on-chip antenna design 正感興趣呢! 感謝!
作者是中國留學生嗎?

zain

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