Симметрирующее устройство 120 ГГц

Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
Сравнительный анализ активных SiGe смесителей
миллиметрового диапазона
А.C. Будяков, П.С. Будяков, Н.Н. Прокопенко
budyakovp@gmail.com
Введение
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
- опорные магистральные беспроводные каналы связи;
- беспроводная опорная сеть для базовых станций операторов мобильной телефонии, для соединения
базовых станций WiFi, WiMAX и LTE;
- беспроводная альтернатива оптическим кабельным каналам Интернет;
- комплексное подключение (Интернет, LAN телефония) бизнес-центров и жилых зданий
- синхронизация данных между устройствами на коротких расстояниях (для диапазона 60 ГГц)
- подключение "последней мили"
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
www.sssu.ru
©2012
A Fundamental Frequency 120-GHz SiGe BiCMOS
Distance Sensor With Integrated Antenna
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
by Ioannis Sarkas, Sorin P. Voinigescu and STMicroelectronics ©2012
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
www.sssu.ru
©2012
140 GHz radar/radio transceiver
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
by Katya laskin, Sean Nicolson and STMicroelectronics ©2008, BCTM-2009
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
www.sssu.ru
©2012
Параметры SiGe технологий фирмы IHP
Техн.
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
SG13S
Транз.
npn13P
npn13V
AE
0.12 x 0.48 µm2
0.18 x 1.02 µm2
fmax
300 ГГц
120 ГГц
fT
250 ГГц
45 ГГц
Uкэ.проб
1.7 В
3.7 В
Uкб.проб
5.0 В
16 В
β
900
600
MIM конденсатор
1.5 фФ/мкм2
N+ Poly резистор
-
P+ Poly резистор
250 Ом/кв
High Poly
резистор
Индуктивность Q@5
ГГц
1600 Ом/кв
18 (1 нГн)
Толщина металла
3 мкм
Количество слоев
металлизации
5
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
www.sssu.ru
©2012
ОБЗОР СМЕСИТЕЛЕЙ ДИАПАЗОНА КВЧ
Ссылка на публикацию
[6]
0,25 мкм SiGe
[11]
с каскодным
расположением
гетеродина
0,13 мкм SiGe
[13]
с верхним
расположением
гетеродина
0,12 мкм SiGe
Архитектура
Гильберт
Технологический процесс
Центральная частота рабочего
диапазона, ГГц
Входная мощность при компрессии
коэффициента преобразования на
1 дБ, дБм
Коэффициент преобразования, дБ
Мощность гетеродина, дБм
Потребляемая мощность, мВт
Площадь кристалла, мм2
60
220
50
-5,6
-
-16,5
2,2
4
33
0,283
0
0
59
-
9
6
23
0,32
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
www.sssu.ru
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
©2012
СМЕСИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ЯЧЕЙКИ ГИЛЬБЕРТА
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
+3,3 В
L2
75p
L1
75p
3
v1dB
C2.вых
C1.вых
РЧ+
КП 
РЧ3.8m
3.8m
Q3
2x
Г+
3.8m
Q4
2x
Q5
2x
3.8m
2 2 т

( g m RE  1 ) 2
5,25
где
u вых
u
Rн
 tanh( Г )
u вх
2 т 1  RE
gm
 т  26 мВ – температурный потенциал;
gm
Q6
2x
- крутизна нижней дифференциальной пары на
транзисторах Q1, Q2
RE , RН
Г-
7.6m
ПЧ+
Q1
4x
- сопротивления эмиттерных резисторов и нагрузки.
7.6m
R1
R2
20
20
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
Q2
4x
ПЧ-
www.sssu.ru
©2012
Симметрирующее устройство 120 ГГц
•
•
•
•
•
Широкая полоса пропускания
Малые потери
Планарная структура
Входное сопротивление 50 Ом
Выходное 100 Ом
Zoe≈ 121 Ом
Вход
Z oe  Z oo
k
Z oe  Z oo
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
Zoо≈20,6 Ом
λ/4
λ/4
λ/4
Х.Х
λ/4
λ/4
-1.25
-10
-1.30
-12
dB(S(2,2))
dB(S(1,1))
dB(S(2,1))
Выход
-1.35
-1.40
-1.45
-14
-16
-18
-1.50
100 105 110 115 120 125 130 135 140
freq, GHz
-20
100 105 110 115 120 125 130 135 140
freq, GHz
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
www.sssu.ru
©2012
Пассивные компоненты
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
www.sssu.ru
©2012
Топология 120 ГГЦ смесителя
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
Диапазон частот, ГГц
Ток потребления, мА
Коэффициент преобразования, дБ
Выходная точка компрессии на
1дБ, дБм
Полоса пропускания ПЧ по уровню
минус 3 дБ, ГГц
0,13 мкм
БиКМОП
113...127
16,4@3,3В
2,3
-5
0,5...7,4
Г-РЧ изоляция, дБ
Мощность гетеродина, дБм
не менее 55
6
Тип входа
Г, РЧ –
однофазные
ПЧ – дифферен.
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
783 мкм
GND
+ЕП
GND
ПЧ+
625 мкм
Техпроцесс
GND
GND
РЧ+
ПЧGND
GND
www.sssu.ru
Г+
GND
©2012
Субгармонический смеситель
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
Субгармонический
смеситель
РЧ (103-133 ГГц)
3,5 В
1/fГ
+3,5 В
ПЧ (0-13 ГГц)
L2
133 p
L1
133 p
C1.вых
0°
180° 90°
C2.вых
РЧ+
270°
квадратурный
направденный ответвитель
0°
1
РЧ-
РЧ балун
2.25m 2.25m
180°
Q7
2x
ГI
Q8
2x
Q9
2x
1/fГ
Q10
2x
1
ГQ
Q3
2x
ГQ
Г (60 ГГц)
t
-1
2.25m 2.25m
ГI
Г балун
ГI
Q4
2x
ГQ
4.5m
ПЧ+
Q1
4x
t
-1
Q5
2x
Q6
2x
1/(2fГ)
4.5m
Q2
4x
1
ПЧ-
ГI·Q
t
-1
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
www.sssu.ru
©2012
Квадратурный направленный ответвитель
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
120фФ
70,7 Ом
λ/12
70,7 Ом
λ/8
λ/8
70,7
Ом
λ/12
Дифференциальный
выход
0°, 180° #3
Изолированный
вход #3
120фФ
-4
Дифференциальный
выход
90°, 270° #2
70,7 Ом
-5
S(2,1), дБ
S(3,1), дБ
120фФ
Дифференциальный
вход
0°, 180° #1
120фФ
-6
-7
S(2,1)
-8
S(3,1)
-9
-10
40
м
мк
50
55
60
65
70
75
80
Частота, ГГц
6м
км
Разбаланс по фазе, градусы
8
23
24
45
96
94
92
90
88
55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65
Частота, ГГц
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
www.sssu.ru
©2012
Симметрирующее устройство 60 ГГц
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
-1.4
dB(S(2,1))
-1.6
-1.8
-2.0
-2.2
-2.4
40
45
50
55
60
65
70
75
80
freq, GHz
-6
-8
dB(S(2,2))
dB(S(1,1))
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22
40
45
50
55
60
65
70
75
80
freq, GHz
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
www.sssu.ru
©2012
Нагрузка и согласование
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
www.sssu.ru
©2012
Топология субгармонического смесителя
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
1250 мкм
GND
РЧ
GND
690 мкм
GND
Г
+Еп
GND
GND
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
ПЧ+
GND
ПЧ-
www.sssu.ru
GND
©2012
Результаты моделирования
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
Техпроцесс
Частота, ГГц
Ток потребления, мА
Коэффициент преобразования, дБ
Выходная 1дБ точка компрессии,
дБм
Полоса пропускания ПЧ по уровню
минус 3 дБ, ГГц
Г-РЧ изоляция, дБ
Мощность гетеродина, дБм
Тип входа
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
0,13 мкм БиКМОП
103…133
10,2@3,5В
5,2
минус 12,4
0,5...13
43
4
Г, РЧ – однофазные
ПЧ – дифферен.
www.sssu.ru
©2012
Южно-Российский
государственный университет
экономики и сервиса
Спасибо
за
Внимание!
ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты
ул. Шевченко, 147
www.sssu.ru
©2012