SiGe BiCMOS 4-bit phase shifter and T/R module for X-band phased arrays

Abstract

Günümüzün faz dizinli radyo algılama ve menzil tayini (RADAR) sistemleri, geleneksel olarak GaAs ve InP gibi III-V teknolojileriyle geliştirilen alıcı/verici (T/R) modülleriyle gerçeklenir. Bu nedenle uygulama alanları daha çok askeri uygulamalarla sınırlıdır. Yeni nesil faz dizinli sistemler düşük maliyetli, küçük alanlı ve az güç harcayan binlerce alıcı/verici modülüne gereksinim duymaktadır. SiGe BiCMOS teknolojisindeki ilerlemeler sayesinde bu teknoloji yeni nesil faz dizinli sistemler için, özellikle de ticari uygulamalar için geçerli bir opsiyon olarak ortaya çıkmıştır. Bu trendlerin ışığında, bu tezde, IHP'nin 0.25 mu SiGe BiCMOS teknolojisi ile gerçeklenen ve X-bandında (8-12 GHz) çalışan 4-bit pasif faz kaydırıcı ve komple tamamlanmış alıcı/verici modülünün tasarımı ve gerçeklenmesi sunulmuştur.Faz kaydırıcı, anahtarlamalı filtre topolojisine dayanmaktadır; alçak bant geçiren Pi tipi süzgeç faz kaydırmak için kullanılırken izole edilmiş NMOS tranzistörler bu süzgeçi baypas etmek için kullanılmıştır. Faz kaydırıcının 22 derece, 45 derece ve 90 derece blokları bu topolojiyle tasarlanmış ve 180 derece bloğu iki kademli 90 derece bloğu olarak gerçeklenmiştir. Tüm blokların geri dönüş kaybı 10 dB'den iyidir ve tüm faz kaydırıcının ortalama ekleme kaybı 14 dB'dir. 3 derecelik en düşük RMS (etkin değer) faz hatası 10.1 GHz'de elde edilmiştir. RMS faz hatası 9.2-10.8 GHz bandında 11 derecenin altındadır. Faz kaydırıcı toplam 0.9 mm2 kırmık alanı kullanır, DC güç tüketimi yoktur ve giriş 1-dB sıkışma gücü 15 dBm'dir.4-bit faz kaydıcırı ve daha önce tasarlanan düşük gürültülü kuvvetlendirici (LNA), yüksek güç kuvvetlendiricisi (PA) ve tek giriş çift çıkışlı (SPDT) anahtar bloklarını kullanarak tüm alıcı/verici modülünün entegrasyonunun gerçekleştirilmsi sunulmuştur. Geliştirilen SiGe X-band alıcı/verici modülü sadece 4.9 mm2 kırmık alanı kullanır. 9-10 GHz bandında, modülün alıcı modundaki kazancı 10-11.5 dB ve verici modundaki kazancı 10.7-12 dB arasında ölçülmüştür. 9 GHz frekansında 5 derecelik bir en düşük RMS faz hatası ölçülmüştür. Alıcı modundaki gürültü sayısı 4-6 dB arasındadır. Yine alıcı modunda, girişe endeksli üçüncü derece harmoniğin kesişim noktası -10.5 dBm'dir. Verici modunda 1-dB sıkışmış çıkış gücü 16 dBm olarak ölçülmüştür. Bu parametrelere 285 mW DC güç tüketimi ile ulaşılmıştır.

Current phased array RADAR (RAdio Detection And Ranging) systems conventionally employ transmit/receive (T/R) modules implemented in III-V technologies (such as GaAs and InP) and their usage is mainly restricted to military applications. The next generation phased array systems require thousands of T/R modules with lower cost, size and power consumption. Advances in SiGe BiCMOS process technologies make it a viable option for next generation phased array systems, especially for commercial applications. In the light of these trends, this thesis presents the design of a 4-bit SiGe X-band (8-12 GHz) passive phase shifter and the complete SiGe X-band T/R module, realized in IHP 0.25-um SiGe BiCMOS process.The phase shifter is based on switched filter topology, utilizing a low-pass Pi network for phase shift state and isolated NMOS transistors are used for bypass state. It is composed of 22 deg, 45 deg and 90 deg bits and the 180 deg bit is realized by cascading two 90 deg bits. The return loss of each bit is better than 10 dB, the overall phase shifter has an average of 14 dB insertion loss. Minimum RMS phase error of 3 deg is obtained at 10.1 GHz. RMS phase error is better than 11 deg at 9.2-10.8 GHz band. The overall phase shifter occupies 0.9 mm2 area, has no DC power consumption and achieves input-referred 1-dB compression point of 15 dBm.The integration of a compact T/R module using the 4-bit phase shifter and the previously developed building blocks such as low-noise amplifier (LNA), power amplifier (PA) and single-pole double-throw (SPDT) switches is presented. The developed SiGe X-band T/R module occupies only 4.9 mm2 chip area. In 9-10 GHz band T/R module achieves a measured gain of 10-11.5 dB in receiver mode and 10.7-12 dB gain in transmitter mode. A minimum RMS phase error of 5 deg is achieved at 9 GHz. Noise figure in receiver mode is measured between 4-6 dB while the IIP3 is receive mode is measured as -10.5 dB. Output power at 1-dB compression in transmit mode is 16 dBm. These parameters are achieved with a power consumption of 285 mW.