0.13 µm SiGe BiCMOS W&D-Band receivers for passive millimeter-wave imaging applications

Abstract

Son yııllarda, otomotiv RADAR'ları, yüksek veri hızlı kablosuz iletişim ve görüntüleme sistemleri için geliştirilen milimetre dalga (30-300 GHz) tümleşik devre tasarımları aktif bir araştırma alanı haline gelmiştir. Pasif görüntüleme sistemlerinin potansiyel etkisi; güvenlik taramaları, silah algılama ve topografi görüntüleme gibi uygulamalar üzerinde görülebilmektedir. Bu sebeple, 100 GHz ve üstünde çalışabilen yüksek performanslı MMIC'ler (Monolitik Mikrodalga Entegre Devre) yeni nesil görüntüleme sistemleri için anahtar rol oynamaktadır. CMOS ve SiGe BiCMOS gibi proses teknolojileri son yıllarda büyük bir gelişme göstermiştir. özellikle SiGe BiCMOS prosesi, bir kaç yüz GHz ft=fmax değerine ulaşabilen HBT'leri ile III-IV teknolojilerine yakın performansı daha düşük maliyetler ile gösterebilmekte, dolayısı ile yüksek performanslı mm-dalga uygulamaları için mükemmel bir opsiyon sunmaktadır. Bu tezde; IHP'nin 0.13 m SiGe BiCMOS teknolojisi kullanılarak gerçeklenen W-Band (75-110 GHz) ve D-Band (110-170 GHz) radyometre alt blokları ile yonga üstü antenlerin dahil edildiği tek ve çift kanallı alıcılar sunulmuştur. Radyometrelerin ısı eşlenik gürültü seviyelerini (NETD) 1 K'nın altında tutmak için, belirtilen bantlarda; düşük giriş kayıplı SPDT anahtlarlar, düşük gürültülü güçlendiriciler (LNA) ve yüksek cevap verme yetili güç detektörleri tasarlanmış ve ölçülmüştür. Dicke Anahtarlamalı ve Toplam Güç Radyometre ön blok alıcıları gerçeklenmiştir. Tüm sistemin entegrasyonu için LBE (yerel pul arkası aşındırma) prosesini kullanan yonga üstü antenler de alıcılara dahil edilmiştir. Ayrıca, alanı arttırmadan radyometre hassasiyetini p 2 kat arttırabilecek, tek anten çift kanal alıcı topolojisi önerilmiş ve tasarlanmıştır.

Design of millimeter-wave (30-300 GHz) integrated circuits for various applications such as RADAR, wireless communication systems and imaging systems has become an active area of research in recent years. Passive type of imaging systems have the potential to impact several areas including security scanning, concealed weapon detection and topography imaging. Therefore, high performance MMICs capable of operating 100 GHz and beyond will be the key for next generation imaging systems. Process technologies such as CMOS and SiGe BiCMOS have advanced tremendously over the past decades. Especially the SiGe BiCMOS process with HBTs that have ft=fmax values above several hundred GHz, is an excellent option for high performance mm-wave applications due to its comparable performance to III-V technologies while having relatively lower costs. In this thesis, we present W-Band (75-110 GHz) and D-Band (110-170 GHz) radiometer sub-blocks as well as single and dual channel implementations with onchip antennas using IHP's 0.13 m SiGe BiCMOS technology. In order to keep the Noise Equivalent Temperature Dfference (NETD) of the radiometers below 1 K, low insertion loss SPDT switches, high bandwidth low noise amplifiers (LNA) and high responsivity power detectors have been designed and measured. Dicke Switched and Total Power Radiometer front end receivers have been implemented. For complete integration, on-chip mm-wave antennas that make use of LBE (Local Backside Etching) process are included in the receivers. Also, a single antenna dual channel receiver is proposed and designed that would increase the sensitivity of the radiometer by p 2 without increasing the overall die area.