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Transceiver technologies for millimeter-wave beam steering applications

Tsao, Yi-Fan

FG Hochfrequenzsysteme

During the past years, wireless communication systems have been rapidly advancing to meet the high data-rate requirements of various emerging applications. Since peak data rate and channel capacity are proportional to the operation bandwidth, acquisition of enough bandwidth has become the most critical issue for the next-generation communication systems. As the operating frequency expands into the millimeter-wave bands, research efforts have been devoted to address the issue of high free space path loss. Transceiver design approaches have been widely reported for different applications, such as the user frontend and the base station. However, the existing transceivers were normally demonstrated using CMOS compatible technologies, which delivered a relatively low equivalent isotropically radiated power (EIRP) in a small unit cell. Moreover, the particular device characteristics are limiting the linear region for operation. Therefore, it is the main focus of this dissertation to present and discuss new design method for transceiver having the potential to solve these issues. The designs rely commercially-available GaAs and GaN based device technologies. To reduce the complexity of the transceiver module for further phased-array scaling, a low-noise power amplifier (LNPA) design approach is designed using 0.15-μm GaN-on-SiC high-electron mobility transistor (HEMT) technology. With the utilization of traded off interstage matching topology between loss and bandwidth, the conversion loss induced by the interstage matching network was effectively reduced. As the GaN-based LNPA delivered a large output power, the RF switches to be integrated for the transceiver must maintain high power handling capability. A stacked-FET configuration was adopted for enhancing the allowed voltage swing at high power operation to improve the power handling of the single-pole-double-throw (SPDT) switch. Also, further improvement on the isolation bandwidth was investigated using theoretical analysis on the intrinsic effect of the passive HEMTs. Such intrinsic effect was mainly contributed by the intrinsic parameters of the devices extracted using MATLAB programming. With the successful implementation of the RF front-end circuits, transceiver modules were integrated on Rogers RO3010 substrate. The planar dual exponentially tapered slot antenna (DETSA) phased-array system showed a compact size with simple biasing network comparing with the conventional transceiver approach. The presented transceiver module was characterized with an over-the-air test at a distance of 1 m, overcoming the free space path loss of 64 dB. It also shows a high flexibility for further integration with a larger number of array systems, which is very promising for the future 5G communication system.
In den letzten Jahren wurden drahtlose Kommunikationssysteme schnell weiterentwickelt, um die hohen Datenratenanforderungen neu aufkommender Kommunikationssysteme zu erfüllen. Da die Spitzendatenrate und die Kanalkapazität proportional zur Betriebsbandbreite sind, ist der Erwerb einer ausreichenden Bandbreite zum kritischsten Problem für die Kommunikationssysteme der nächsten Generation geworden. Daher dehnensich die Betriebsfrequenzen in die Millimeterwellenbänder aus. Konsequenterweise werden Forschungsanstrengungen unternommen, um das Problem des hohen Verlusts bei der Freiraumausbreitung anzugehen. Für verschiedene Anwendungen, wie zum Beispiel Benutzerterminal und Basisstation wurden daraufhin geeignete Lösungsansätze zum Entwurf von Sendeempfängern veröffentlicht. Die existierenden Transceiver wurden jedoch normalerweise mit CMOS kompatiblen Technologien demonstriert, die eine relativ niedrige equivalent isotropically radiated power (EIRP) in vergleichsweise kleine Basiszellen liefern. Darüber hinaus begrenzen die spezifischen Eigenschaften von mm-Wellen Leistungstransistoren in Verbindung mit der dazugehörigen Schaltungstechnik den linearen Betriebsbereich. Das Hauptaugenmerk dieser Doktorarbeit zielt daher auf neue Entwurfsverfahren für Transceiver unter Verwendung von kommerziell erhältlichen monoltisch integrierten III-V Schaltungstechnologien (MMIC). Die Arbeit zeigt das Entwurfsverfahren, stellt die Schaltungskonzepte vor und charakterisiert und dieskutiert sie. Um die Komplexität von Transceiver-Modulen für eine weitere Skalierung von elektroniosch schwenkbaren Antennen (Phased Arrays) zu reduzieren, wurde als Designansatz der sogenanntren rauscharme Leistungsverstärker (LNPA) unter Verwendung einer 0.15-μm GaN-on-SiC HEMT Technologie entwickeltweiterverfolgt. Dieses Konzept vereint den rauscharmen Vorverstärker für den Empfangszweig mit dem Leistungsverstärker für den Sendezweig in einem MMIC. Durch das Design einer zweistufigen Zwischenstufen-Anpassungstopologie mit niedrigen Verlustenwurden Anpassverluste effektiv reduziert. Da der GaN-basierte LNPA eine große Ausgangsleistung liefert, müssen die in den Transceiver zu integrierenden HF-Schalter eine hohe Belastbarkeit aufweisen. In diesem Zusammenhang wurde die Stacked-FET-Konfiguration verwendet, um den zulässigen Spannungshub bei Hochleistungsbetrieb zu erhöhen und um somit das Leistungsschaltvermögen des Sende-Empfangsschalter Schalters Single-Pole-Double-Throw (SPDT) Konfiguration zu erhöhen. Außerdem wurde eine weitere Verbesserung der Isolationsbandbreite unter Verwendung einer theoretischen Analyse des intrinsischen Effekts der passiven HEMTs untersucht. Mit der erfolgreichen Implementierung der RF-Front-End Schaltungen wurden Transceiver-Module zusammen mit einem DETSA Antennensystem auf einem Rogers RO3010 Substrat integriert. Das planare DETSA Phased-Array-System zeigte eine kompakte Größe mit einem einfachen Vorspannungsnetzwerk im Vergleich zum herkömmlichen Transceiver-Ansatz. Das vorgestellte Transceiver-Modul wurde mit einem Over-the-Air-Test in einer Entfernung von 1 m charakterisiert, wobei der Freiraum-Pfadverlust von 64 dB überwunden wurde. Es zeigt auch eine hohe Flexibilität für die weitere Integration mit einer größeren Anzahl von Array-Systemen, was für das zukünftige 5G-Kommunikationssystem sehr vielversprechend ist.