Millimeter wave band reconfigurable circuits (from 30 to above 100 GHz) in BiCMOS-MEMS technology

Abstract

Actualment hi ha un ús creixent de dispositius mòbils i de la necessitat d’informació i, per això, cada vegada es necessiten sistemes sense fils amb majors velocitats de dades i més amplada de banda. A més, els sistemes d’aplicació múltiple necessiten funcionar a diverses bandes de freqüències, cosa que comporta la necessitat de dispositius compactes de freqüència reconfigurable. Per tal d’oferir solucions per a les demandes esmentades anteriorment, en aquesta tesi es presenten per primera vegada amplificadors de baix soroll (LNAs) compactes, reconfigurables en freqüència que utilitzen commutadors basats en MEMS de RF i en HBTs (transistor bipolar d'heterounió) per a freqüències superiors a 100 GHz. S'utilitzen estructures microstrip acoblades i de tres línies (TLM) a les xarxes d’adaptació d’amplificador per aconseguir dissenys més compactes. Per demostrar les potencialitats de les estructures TLM, es presenta un nou sintonitzador d'impedàncies (tuner) TLM multimodal compacte. El tunes dissenyat implementa una cobertura d'impedàncies a la gràfica Smith del 70% en una gran amplada de banda freqüencial (1,4 a 3,2 GHz). El sintonitzador d'impedància utilitza condensadors variables implementats amb varactors que creen asimetries en l'estructura i interaccions entre els modes TLM. Això provoca un augment de la longitud elèctrica equivalent del circuit reduint així la mida física global del sintonitzador d’impedància. S'han dissenyat tres LNAs compactes per banda D de freqüència reconfigurables en tecnologia BiCMOS. Els tres dissenys consten de dues etapes i es van fabricar utilitzant un procés SiGe:C BiCMOS-MEMS de 0,13 µm que inclou un mòdul de commutador RF-MEMS. El primer i el segon dissenys de LNA operen a 125/140 GHz, mentre que el tercer disseny funciona a 125/143 GHz. L’àrea dels dissenys es minimitza utilitzant només un commutador RF-MEMS per seleccionar la banda de freqüència i estructures multimodals (una estructura microstrip acoblada i una estructura TLM a les xarxes d'adaptació d’entrada del primer i del tercer disseny, respectivament). Es presenta un mètode de disseny sistemàtic per obtenir guanys i factors de soroll equilibrats per als dos estats de freqüència. Un disseny LNA de 120/140 GHz encara més compacte s'aconsegueix utilitzant un interruptor basat en HBT en lloc d’un commutador RF-MEMS. Es va fabricar amb el mateix procés SiGe:C BiCMOS de 0,13 µm i utilitza la mateixa estructura multimodal TLM a la xarxa d'adaptació d’entrada com el tercer disseny esmentat anteriorment. Les mesures de tots els LNA coincideixen amb les simulacions obtingudes i validen tots els dissenys dels circuits i el mètode de disseny sistemàtic.

Actualment hi ha un ús creixent de dispositius mòbils i dela necessitat d¿informació i, per això, cada vegada es necessiten sistemes sense fils amb majors velocitats de dades i més amplada de banda. A més, els sistemes d¿aplicació múltiple necessiten funcionar a diverses bandes de freqüències, cosa que comporta la necessitat de dispositius compactes de freqüència reconfigurable. Per tal d¿oferir solucions per a les demandes esmentades anteriorment, en aquesta tesi es presenten per primera vegada amplificadors de baix soroll (LNAs) compactes, reconfigurables en freqüència que utilitzen commutadors basats en MEMS de RF i en HBTs (transistor bipolar d'heterounió) per a freqüències superiors a 100 GHz. S'utilitzen estructures microstrip acoblades i de tres línies (TLM) a les xarxes d¿adaptació d¿amplificador per aconseguir dissenys més compactes. Per demostrar les potencialitats de les estructures TLM, es presenta un nou sintonitzador d'impedàncies (tuner) TLM multimodal compacte. El tunes dissenyat implementa una cobertura d'impedàncies a la gràfica Smith del 70% en una gran amplada de banda freqüèncial (1,4 a 3,2 GHz). El sintonitzador d'impedància utilitza condensadors variables implementats amb varactors que creen asimetries en l'estructura i interaccions entre els modes TLM. Això provoca un augment de la longitud elèctrica equivalent del circuit reduint així la mida física global del sintonitzador d¿impedància. S'han dissenyat tres LNAs compactes per banda D de freqüència reconfigurables en tecnologia BiCMOS. Els tres dissenys consten de dues etapes i es van fabricar utilitzant un procés SiGe:C BiCMOS-MEMS de 0,13 µm que inclou un mòdul de commutador RF-MEMS. El primer i el segon dissenys de LNA operen a 125/140 GHz, mentre que el tercer disseny funciona a 125/143 GHz. L¿àrea dels dissenys es minimitza utilitzant només un commutador RF-MEMS per seleccionar la banda de freqüència i estructures multimodals (una estructura microstrip acoblada i una estructura TLM a les xarxes d'adaptació d'entrada del primer i del tercer disseny, respectivament). Es presenta un mètode de disseny sistemàtic per obtenir guanys i factors de soroll equilibrats per als dos estats de freqüència. Un disseny LNA de 120/140 GHz encara més compacte s'aconsegueix utilitzant un interruptor basat en HBT en lloc d'un commutador RF-MEMS. Es va fabricar amb el mateix procés SiGe:C BiCMOS de 0,13 µm i utilitza la mateixa estructura multimodal TLM a la xarxa d'adaptació d'entrada com el tercer disseny esmentat anteriorment. Les mesures de tots els LNA coincideixen amb les simulacions obtingudes i validen tots els dissenys dels circuits i el mètode de disseny sistemàtic.