Design of a millimeter-wave wideband and high linearity integrated sige bicmos transmitter for multi-gbps point-to-point communications

Resumo

Las frecuencias de ondas milimétricas, que abarcan de 30 a 300 GHz, ofrecen propiedades de propagación muy interesantes, tales como una absorción atmosférica diferente dependiendo de la frecuencia, que puede ser explotada para comunicaciones de corto alcance sin interferencia, con gran reutilización espectral en algunas frecuencias (principalmente alrededor de 60 GHz), así como para radares o comunicaciones de largo alcance en otras frecuencias (principalmente alrededor de 80, 150 y 250 GHz). Además, hay un enorme ancho de banda disponible en el rango de ondas milimétricas para comunicaciones inalámbricas de alta velocidad. Los circuitos que operan a estas frecuencias se han implementado tradicionalmente utilizando tecnologías de semiconductores III-V, tales como GaAs, que normalmente son costosos, poco eficientes energéticamente y ofrecen pocas capacidades de integración. Sin embargo, las tecnologías basadas en silicio como CMOS y BiCMOS, que son más rentables, consumen menos energía y presentan un excelente potencial de integración, están mejorando en términos de máxima frecuencia de operación, hasta más allá incluso del rango de las ondas milimétricas. Esto está favoreciendo la aparición de muchas aplicaciones novedosas. Una aplicación que está atrayendo mucha atención es la de las comunicaciones de alta velocidad a media/larga distancia (alrededor de 1 km) utilizando la banda E (71-76 y 81-86 GHz), reservada en todo el mundo para los enlaces fijos punto a punto. Estos enlaces pueden ayudar a aliviar el cuello de botella existente actualmente en las redes de retorno de telefonía móvil, para poder proporcionar el gran ancho de banda demandado por los usuarios en el futuro próximo. Sin embargo, el diseño de los circuitos integrados para operar a estas frecuencias sigue siendo un desafío y un campo de investigación abierto, ya que es difícil lograr simultáneamente gran ancho de banda, alta ganancia, buena linealidad y alta eficiencia de potencia. El objetivo de este trabajo de investigación es diseñar un transmisor comunicaciones de varios Gbps y espectralmente eficientes en la banda E, integrado utilizando un proceso SiGe BiCMOS 55 nm de última generación. El trabajo primero realiza un análisis de los requisitos del enlace objetivo, para derivar los requerimientos del transmisor. Para poder cumplir dichos requisitos, se propone un transmisor con una arquitectura superheterodina de doble conversión y una frecuencia intermedia (FI) de 16-21 GHz. Después se presenta una metodología de diseño para los componentes integrados pasivos y activos que se utilizarán para los circuitos a diseñar. A continuación, se procede al diseño e implementación de un mezclador I / Q de banda base a FI, otro mezclador de FI a banda E y un amplificador de potencia en banda E. Se proponen diferentes técnicas para mejorar el ancho de banda y la linealidad de dichos circuitos. Después de aplicar estas técnicas, los resultados de medida de los circuitos fabricados muestran un rendimiento notable, logrando la linealidad requerida para transmitir señales de varios Gbps, espectralmente eficientes y cubriendo el rango de frecuencias completo de 71 a 86 GHz. Los circuitos diseñados se integran también en un sistema de comunicación de banda E real, demostrando la transmisión de una señal de 10 Gbps en un canal de 2 GHz de ancho. Esto valida el diseño presentado, así como la idoneidad de los procesos BiCMOS de última generación para la integración de transmisores rentables para comunicaciones de varios Gbps en la banda E.