SiGe BiCMOS front-end integrated circuits for X-band phased arrays

Abstract

Günümüzde X-Band faz dizinlerinin yüksek performans gereksinimi karşılamak için alıcı-verici (T/R) modülleri genellikle GaAS, InP temelli tektaş mikrodalga tümdevreler kullanılarak gerçeklenmektedir. Ancak III-V yarı iletken teknolojisine dayanan bu mödüllerin maliyeti, boyutu, ağırlığı, güç tüketimi ve karmaşıklığı faz dizini teknolojisinin kullanımını sadece bunlara musamaha gösterebilen askeri ve uzay uygulamalarıyla sınırlamaktadır. Bu kısıtlamayı, gelecek nesil X-Band faz dizinli radar sistemleri düşük ücretli, silikon tabanlı entegre T/R mödülleri kullanarak aşmayı amaçlamaktadır. Bu amaçla, bu tez düşük maliyetli SiGe BiCMOS prosesinde tamamen entegre X-Band faz dizinlerinin gerçekleşmesine katkıda bulunacak yeni yaklaşım ve tekniklere dayalı T/R modül ön uç bloklarının tasarımını inceleyecektir.Literatürdeki diğer çalışmalar ile karşılaştırıldığında en yüksek IP1dB değerine sahip seri-paralel CMOS T/R anahtarının tasarımı sunulmaktadır. Tasarım daha yüksek izolasyon ve daha iyi ekleme kaybı elde etme tekniklerinin yanında özellikle daha yüksek güce dayanıklılık elde etme teknikleri üzerinde odaklanmaktadır. Ayrıca, paralel NMOS tranzistörler ve dalga yavaşlatan çeyrek dalga boyundaki iletim hatları kullanılarak yeni bir T/R anahtarı tasarlanmıştır. Şu ana kadarki tüm BiCMOS teknolojileri göz önüne alındığında, dalga yavaşlatan iletim hatlarının T/R anahtarında kullanımı ilk defa sunulmaktadır. Ek olarak, seri-paralel topolojisine dayalı DC-20 GHz tek giriş çift çıkış (SPDT) anahtarı gösterilmiştir.X-Band yüksek performans bir düşük güç kuvvetlendiricisi (LNA) 0.25-um SiGe BiCMOS prosesinde gerçeklenmiştir. LNA aynı anda düşük gürültü figürü, yüksek kazanç ve giriş ve çıkışlarda güzel uydurma elde etmek için endüktif olarak dejenere edilmiş ve yüksek hızlı SiGe HBT kullanan iki kaskot katından oluşmaktadır. Yazarın bilgisine göre, LNA'in toplu olarak performans parametreleri benzer teknolojilerde yayınlanan başarım ölçütleri arasında en iyisidir. Buna ek olarak, yazarın bilgisi dahilinde X-Band'ta çalışan anahtarlamalı bir LNA SiGe BiCMOS teknolojisinde ilk defa uygulanmıştır. Dirençsel gövde dalgalandırma tekniği baypas modunda devrenin doğrusallığını arttırmak için ilk defa anahtarlamalı LNA tasarımına dahil edilmiştir.Son olarak, teker teker tasarlanan bloklar kullanılarak teknolojinin geldiği son nokta bir performansa sahip T/R modül bütün olarak entegre edilmiştir. T/R modülün benzetim sonuçları tezde sunulmaktadır. Teker teker sunulan yapı bloklarının ve bütün T/R modülünün en son teknoloji performansı özgün tasarım metodlarına ve tekniklerine atfedilmektedir.

The current Transmit/Receive (T/R) modules have typically been implemented using GaAs- and InP-based discrete monolithic microwave integrated circuits (MMIC)to meet the high performance requirement of the present X-Band phased arrays.However their cost, size, weight, power consumption and complexity restrict phased array technology only to certain military and satellite applications which can tolerate these limitations. Therefore, next generation X-Band phased array radar systems aim to use low cost, silicon-based fully integrated T/R modules. For this purpose,this thesis explores the design of T/R module front-end building blocks based on new approaches and techniques which can pave the way for implementation of fully integrated X-Band phased arrays in low-cost SiGe BiCMOS process.The design of a series-shunt CMOS T/R switch with the highest IP1dB, compared to other reported works in the literature is presented. The design focuses on the techniques,primarily, to achieve higher power handling capability (IP1dB), along with higher isolation and better insertion loss of the T/R switch. Also, a new T/R switch was implemented using shunt NMOS transistors and slow-wave quarter wavelength transmission lines. It presents the utilization of slow-wave transmissions lines in T/R switches for the rst time in any BiCMOS technology to the date. A fully integratedDC to 20 GHz SPDT switch based on series-shunt topology was demonstrated. The resistive body oating and on-chip impedance transformation networks (ITN) were used to improve power handling of the switch.An X-Band high performance low noise amplier (LNA) was implemented in 0.25 m SiGe BiCMOS process. The LNA consists of inductively degenerated two cascode stages with high speed SiGe HBT devices to achieve low noise gure (NF),high gain and good matching at the input and output, simultaneously. The performance parameters of the LNA collectively constitute the best Figure-of-Merit value reported in similar technologies, to the best of author's knowledge. Furthermore, a switched LNA was implemented SiGe BiCMOS process for the rst time at X-Band.The resistive body oating technique was incorporated in switched LNA design, for the rst time, to improve the linearity of the circuit further in bypass mode.Finally, a complete T/R module with a state-of-the-art performance was implemented using the individually designed blocks. The simulations results of the T/R module is presented in the dissertation. The state-of-the-art performances of the presented building blocks and the complete module are attributed to the unique design methodologies and techniques.