4x1 MIMOompact half duplex RF T / R module with high resolution in 130 nm SiGe BiCMOS for 5G applications

Abstract

Bu tez, yeni nesil 5G iletişimi için radyo frekansında (RF) entegre gönderme/alma (T/R) modülünün tasarımı ve gerçeklenmesi üzerinedir. 5G iletişiminde yer alan yüksek veri hızı ve düşük gecikme süresi gibi performans gereksinimlerine ulaşmak için çoklu giriş ve çoklu çıkış (MIMO), milimetre dalga (mm dalga) gibi yeni metodolojilere ihtiyaç vardır. Düşük güç kaybı ve düşük alan da sistemin maliyetini düşürmek için yeni nesil iletişim için önemli performans gereksinimlerindendir. 5G'nin gereksinimlerinden biri, 25 Gb/sn'ye kadar veri hızıdır. Bu gereksinimi karşılamak için, mm dalga devresi ile mümkün olan iletişimin bant genişliği arttırılmalıdır. Bununla birlikte, atmosferde daha yüksek bir zayıflama mm-dalga frekansında meydana gelir. Bu zayıflamayı telafi etmek için, istenen kazançlı bir ışın yönlendirmesi oluşturmak için MIMO yarı çift yönlü faz dizileri gerçekleştirilebilir.Bu tez, MIMO tabanlı sistemler için bir huzme oluşturucu oluşturmak için dört elemanlı TX/RX devreleri ve tek kanallı TRX devrelerini sunar. Her iki tasarım da 26 GHz'de 5G uygulamaları için SiGe entegre devreleri şeklinde tasarlanmıştır.Tezde ilk olarak, mm dalga frekanslarında bir 5G iletişim şeması oluşturmak için iki ayrı dört kanallı TX ve RX tasarımları gerçekleştirilmiştir. Bu dört kanallı elemanlar alt bloklara dayanmaktadır: düşük gürültülü kuvvetlendirici (LNA), güç kuvvetlendiric (PA), faz kaydırıcı (PS), zayıflatıcı (ATT), değişken kazançlı kuvvetlendirici (VGA), Wilkinson birleştirici ve seri çevresel arabirim (SPI). Tasarlanan devre, 6-b faz kontrolü ve 4-b genlik kontrolü sağlamıştır. Yazarların bildiği kadarıyla, tasarlanan modül, literatürdeki en yüksek genlik aralığı ve en düşük RMS genlik hatası ile birlikte en yüksek faz ve genlik çözünürlüğünü elde etmiştir. Ayrıca tasarlanan modül, son teknolojiye göre kabul edilebilir performanslar olan 15.5 dB RX kazancı, 25.5 dB TX kazancı, 4.5 dB NF, 9.5 dBm OP1dB ve 50 mW güç tüketimi elde etmiştir.Tezde ikinci olarak, dört elementli TX ve RX kanallarını gerçekleştirdikten sonra güç tüketimi ve alan gibi parametrelerin iyileştirilebileceğini fark ettik. Bu iyileştirmeler, faz dizileri sistemi oluştururken büyük bir avantaj yaratacaktır. Ayrıca faz ve genlik çözünürlüğünü artırarak ve kanalın çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için kendi kendine yerleşik bir test ekleyerek modülün işlevselliğini artırabileceğimizi fark ettik. Bu doğrultuda, tek kanallı TRX, daha yüksek faz ve genlik çözünürlüğü ve daha düşük çip alanı ve güç tüketimi ile gerçekleştirilmiştir. Yukarıda belirtilen performansları elde etmek için iki yeni teknik uygulandı. İlk olarak, çalışma moduna karar vermek için geleneksel anahtar topolojisi, asimetrik anahtarlar ve anahtarsız LNA ve PA ile gerçekleştirildi. İkinci olarak, faz ve genlik literatürde ilk defa tek blok ile ayarlanacaktır. Akım yönlendirme tekniği, tek bir blokta hem faz hem de genlik çözünürlüğü için kullanılacaktır. Asimetrik anahtar ve anahtarsız topoloji daha düşük ekleme-kayıp performansları ile daha az alan tükettiğinden ve vektör modülatörü faz ve genlik ayarlarını tek blok ile yaptığından, tüm modülün alanı ve güç tüketimi azalacaktır. Ölçüm sonuçlarına göre tasarlanan devrede literatürdeki en yüksek faz ve genlik çözünürlüğüne karşılık gelen 7 bit faz ve 6 bit genlik çözünürlüğü elde edilmiştir. En yüksek faz ve genlik çözünürlüğü elde edilirken, en düşük RMS faz ve genlik hatası da tek bir blok ile elde edilmiştir. Ayrıca tasarlanan devrede RX modunda 19 dB kazanç, TX modunda 20 dB kazanç, 5 dB NF ve 11.5 dBm OP1dB de elde edilmiş olup, bunlar 5G iletişim şeması oluşturmak için yeterlidir.

This thesis focuses on the design and implementation of a radio frequency (RF) integrated transmit/receive (T/R) module for the next-generation 5G communication. To achieve the performance requirements of the 5G communication, such as high data rate and low latency, new design methodologies are needed such as multiple-input and multiple-output (MIMO), and millimeter-wave (mm-wave) based circuits. Moreover, low power dissipation and low area are also essential performance requirements for the next-generation communication to decrease the cost of the system. One of the requirements of 5G is a data rate up to 25 Gb/s. In order to meet this requirement, the bandwidth of communication must be increased, which is possible with mm-wave circuitry. However, a higher attenuation in the atmosphere occurs in mm-wave frequency. In order to compensate for this attenuation, MIMO half-duplex phased arrays can be realized to create a beam-steering with a desired gain.This thesis presents four-element TX/RX circuits and a single-channel TRX for creating a beamformer for MIMO-based systems. Both ICs designed with SiGe BiCMOS technology for 5G applications specifically for 26 GHz.First, four-element TX and RX channels are realized to create a 5G communication scheme at the mm-wave frequencies. These four-channel elements are based on sub-blocks: low noise amplifier (LNA), power amplifier (PA), phase shifter (PS), attenuator (ATT), variable gain amplifier (VGA), Wilkinson combiner, and serial peripheral interface (SPI). The designed circuitry achieved a 6-b phase control and 4-b amplitude control. To the best of the authors' knowledge, the designed module achieved the highest phase and amplitude resolution, along with the highest amplitude range, and the lowest RMS amplitude error in the literature. Moreover, the designed module achieved 15.5 dB RX gain, 25.5 dB TX gain, 4.5 dB NF, 9.5 dBm OP1dB, and 50 mW power consumption which are acceptable performances with respect to the state-of-the-art.Second, after realizing the four-element TX and RX channels, we realized that parameters such as, power consumption and area can be improved. These improvements will create a massive advantage while creating a phased array system. Also, we realized that we can increase the module's functionality by increasing the phase and amplitude resolution and adding a self built-in test to check whether the channel is working or not. Single-channel TRX is implemented with higher phase and amplitude resolution and lower chip area and power consumption. To achieve the aforementioned performance, two new techniques were performed. First, to decide the mode of operation, conventional switch topology, asymmetric switches, and switchless LNA and PA are realized. Second, phase and amplitude will be adjusted with a single block for the first time. The current steering technique will be used for both phase and amplitude resolution in a single block. Since the asymmetric switch and switchless topology consume less area with lower insertion-loss performances and the vector modulator performs the phase and amplitude settings with the single block, the area and the power consumption of the overall module will be reduced. Based on the measurement results, the designed circuitry achieved 7-bit phase and 6-bit amplitude resolution, which corresponds to the highest phase and amplitude resolution in the literature. While achieving the highest phase and amplitude resolution, the lowest RMS phase and amplitude error are also achieved with a single block. Moreover, the designed circuitry achieved 19 dB gain in RX mode, 20 dB gain in TX mode, 5 dB NF, and 11.5 dBm OP1dB are also achieved, which are enough to create a 5G communication scheme.