An x-band power amplifier design for on-chip radar applications

Abstract

Radyo Algılama ve Menzil Tayini (RADAR) sistemleri ve iletişim elektroniğindeki gelişmeler düşük maliyetli, yüksek performansa sahip, küçük ve tek bir yonga üzerinde gerçeklenebilen Alıcı-Verici (T/R) modüllerinin tasarlanmasını gerektirmektedir. Gelecek nesil RADAR sistemlerinin bu gereksinimlerini karşılamak için yeni topolojiler ve teknolojiler aranmaktadır. Bu arayış içerisinde, son yıllarda büyük gelişme kaydeden SiGe BiCMOS teknolojisi günümüzde kullanılan III-V teknolojileri olan GaAs, InP ve GaN'ın yerine RADAR uygulamarı için gereken yüksek hız ve performans gereksinimlerini karşılayabilecek bir teknoloji adayıdır. SiGe BiCMIOS gibi yeni bir teknolojinin RADAR uygulamalrında kullanımı, kullanılan teknolojinin avantaj ve dezavantajlarını göz önüne alarak yeni devre mimarisinin ve yeni sorunların ele alınmasını gerektirmektedir.Bu tezde, X-Bandında çalışan faz dizinli RADAR sistemleri için yeni bir T/R modül mimarisi sunulmuştur. Bu T/R modülü; T/R anahtarı, tek-giriş çift-çıkış anahtarı, düşük gürültü kuvvetlendiricsi, güç kuvvetlendiricisi ve faz kaydırı blokları yer almaktadır. Bashi geçen ilk üç bloğun yanında, bu tezin odak noktası olan, iki-katlı güç kuvvetlendiricisi tasarlanmış ve tartışılmıştır. IHP'nni 0.25 µm SiGe BiCMOS teknolojisinde tasarlanan bu güç kuvvetlendiricisi, yüksek doğrusallığa ulaşabilmesi için A sınıfı modunda çalıştırılmakta ve 10 GHz'de 25 dB kazanca ulaşmaktadır. 23 dBm güç çıkışına sahip olan bu güç kuvvetlendiricisi % 30 drian verimi ile çalışmaktadır. RF ve DC çıkışlar ile beraber toplam kırmık alanı 1 mm2'dir. Elde edlien sonuçlar literatürdeki diğer çalışmalarla karşılaştırılabilir veya daha iyi bir durumda olduğu görülmektedir.

Tremendous growth of RAdio Detecting and Ranging (RADAR) and communication electronics require low manufacturing cost, excellent performance, minimum area and highly integrated solutions for transmitter/receiver (T/R) modules, which are one of the most important blocks of RADAR systems. New circuit topologies and process technologies are investigated to fulfill these requirements of next generation RADAR systems. With the recent improvements, Silicon-Germanium Bipolar CMOS technology became a good candidate for recently used III-V technologies, such as GaAs, InP, and GaN, to meet high speed and performance requirements of present RADAR applications. As new process technologies are used, new solutions and circuit architectures have to be provided while taking into account the advantages and disadvantageous of used technologies.In this thesis, a new T/R module system architecture is presented for single/on-chip X-Band phased array RADAR applications. On-chip T/R module consists of five blocks; T/R switch, single-pole double-throw (SPDT) switch, low noise amplifier (LNA), power amplifier (PA), and phase shifter. As the main focus of this thesis, a two-stage power amplifier is realized, discussed and measured. Designed in IHP?s 0.25 µm SiGe BiCMOS process technology, the power amplifier operates in Class-A mode to achieve high linearity and presents a small-signal gain of 25 dB at 10 GHz. While achieving an output power of 22 dBm, the power amplifier has drain efficiency of 30 % in saturation. The total die area is 1 mm2 including RF and DC pads. To our knowledge, these results are comparable to and/or better than those reported in the literature.