Ka-band Full Duplex System with Electrical Balance Duplexer For 5G Applications using SiGe BiCMOS Technology

Abstract

Günümüzde hakim olan iletişim sistemi 4G'dir. Veri kullanımdaki ve dünyadaki kullanıcı sayısındaki artışla birlikte, 4G iletişim sistemi kullanıcıların isteklerine karşılık verememeye başlamıştır ve 4G teknolojilerinde gelişimin sonuna gelmiştir. Kullanıcıların gelecekteki isteklerini kapsayan bir sistem bulmak için, yeni bir iletişim sistemi geliştirilmelidir ve bu sistem 5G olarak belirlenmiştir. Yeni nesil sistemler daha yüksek bant genişliği, yüksek spektral verimlilik ve daha az gecikme gerektirmektedir. Son yıllarda, bu hedefler için daha yüksek frekanslı ve tam dupleks modlu tasarımlar ilgi toplamaya başlamıştır. SiGe HBT teknolojilerindeki gelişmeler -daha yüksek fT ve fmax- bu teknolojiyi yeni nesil tasarımlara uygun hale getirmiştir. Haberleşme sistemlerinin geleceğine yön veren bu eğilimler göz önünde bulundurularak, bu tez, 5G uygulamaları için elektrik dengesi duplekseri ile Ka-band (25-32GHz) SiGe tam dupleks sisteminin tasarımını sunmaktadır. Bu sistem bir dupleksleyici, bir LNA ve bir PA'den oluşmaktadır.Elektriksel denge dupleksleyici bir hibrit transformatör ve bir dengeleme ağı ile tasarlanmıştur. Verici ve alıcı blokları arasında yüksek izolasyon sağlamak için anten empedansının dengeleme ağının ayarlanmasıyla takip edilmesi gerekmektedir. Tüm portlar 10dB'den daha iyi geri dönüş kaybına sahiptir. Dupleksleyicinin vericiden antene simüle edilmiş kaybı 3.8dB, antenden alıcıya simüle edilmiş kaybı ise 4.7dB'dir. 28 GHz'de 39 dB maksimum izolasyon sağlamaktadır. LNA, giriş ve çıkış BALUN transformatörleri içerir ve ölçülmüş sonuçları 28GHz'de 15dB kazanç, 3.5dB'lik NF ve 13.5dBm'lik OP1dBdir. PA, 28GHz'de 17dB kazanç sağlar ve 14dBm'lik OP1dB çıkış gücüne ulaşmaktadır.

The current dominating communication system is 4G. However, with the increase in the data rate and in the number of users in the world, the 4G communication system has started to saturate and couldn't manage to keep up with user demands and there is less room for progress at 4G systems. In search of finding a system that covers the future interests of users, a new communication scheme is being processed as 5G. The next generation systems require wider bandwidth, high spectral efficiency, and less latency. For these goals, designs with higher frequency and full-duplex operation mode have been started to gain attention. Developments in SiGe HBT technologies -higher fT and fmax- make them suitable for these challenges. Considering these trends which lead to the future of communication systems, in this thesis the design of Ka-band (25-32GHz) SiGe full duplex system with electrical balance duplexer for 5G applications is presented. This system is created by integrating. a duplexer, an LNA, and a PA.The electrical balance duplexer is realized by a hybrid transformer and a balancing network. The impedance of the antenna is mimicked by tuning the balancing network to provide high isolation between transmitter and receiver blocks. All the ports have better than 10dB return loss. Duplexer provides measured 39dB peak isolation at 28GHz, with 3.8dB insertion loss from the transmitter to the antenna and 4.7dB insertion loss from the antenna to receiver. The LNA achieves the measured gain of 15dB, NF of 3.5dB and OP1dB of 13.5dBm at 28GHz by including an input and an output BALUN transformer. The PA provides measured gain of 17dB and OP1dB of 14dBm at 28GHz.