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Title
Integrated millimeter wave front-end design in SiGe bipolar technology / Bernhard Dehlink
AuthorDehlink, Bernhard
CensorScholtz, Arpad ; Magerl, Gottfried
Published2007
DescriptionX, 135 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Diss., 2007
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)SiGe, Automotive Radar, 77GHz, Millimeterwellen, Mixer, In-Phase, Quadrature, Bipolar
Keywords (EN)SiGe, Automotive Radar, 77GHz, Millimeter wave, Mixer, In-Phase, Quadrature, Bipolar
Keywords (GND)Integrierte Bipolarschaltung / Silicium / Germanium / Millimeterwelle / Radar
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-18141 Persistent Identifier (URN)
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Integrated millimeter wave front-end design in SiGe bipolar technology [4 mb]
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Abstract (German)

Die jährlichen Statistiken zu Verkehrsunfällen zeigen auf, dass Massnahmen zur langfristigen Erhöhung der Verkehrssicherheit getroffen werden müssen.

Fortschritte in der Entwicklung von Silizium-Germanium Bipolartechnologie bieten die Möglichkeit Systeme, welche die Fahrzeugumgebung erfassen und den Fahrer auf Gefahrensituationen aufmerksam machen, günstig anzubieten. Dadurch wird die Zahl der Verkehrsunfälle drastisch gesenkt werden.

In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Charakterisierung von integrierten Schaltungen im Millimeterwellenbereich beschrieben. Die Einsatzgebiete der Schaltungen reichen von Nah- und Fernbereichsradar bis hin zu schneller Datenkommunikation. Der verwendete Frequenzbereich liegt zwischen 76 und 86 GHz. Diese hohen Frequenzen erfordern spezielle Massnahmen bei der Entwicklungsarbeit. Zwei Schaltungen für unterschiedliche Applikationen werden vorgestellt.

Zunächst wird ein aktiver Abwärtsmischer für den Einsatz in einem Fernbereichsradarsystem präsentiert. Die Arbeitsfrequenz liegt zwischen 76 und 77GHz. Die integrierte Schaltung beinhaltet neben der aktiven differentiellen Mischerzelle auch passive Elemente zur Transformation der asymmetrischen Eingangssignale auf differentielle Signale.

Besonderes Augenmerk beim Entwurf dieser Schaltung wurde auf das gleichzeitige Erreichen hoher Linearität und niedriger Rauschzahl gelegt. Der gemesse eingangsseitige 1dB Verstärkungskompressionspunkt von 0dBm und die Einseitenbandrauschzahl von 16.5dB bestätigen das Erreichen dieses Ziels. Der Konversionsgewinn ist 11dB. Der Mischer benötigt 75mA bei einer Versorgungsspannung von 5.5 V.

Als zweite Schaltung wird ein Empfänger vorgestellt, der einen hohen Integrationsgrad an Hochfrequenzkomponenten aufweist. Als Anwendungen kommen Nahbereichsradar oder Datenkommunikation in Frage. Die integrierte Schaltung besteht aus einem rauscharmen Verstärker, Konvertern zur Umwandlung der asymmetrischen in differentielle Signale, Abwärtsmischern und Verstärkern für das Oszillatorsignal. Die Ausgangssignale dieses Empfängers sind differentiell und 90 phasenverschoben, was durch eine passive Kopplerstruktur auf dem Chip erreicht wird. Der Empfänger weist eine gemessene Einseitenbandrauschzahl kleiner als 12dB bei einem Konversionsgewinn von mehr als 28dB über den gesamten Frequenzbereich auf. Die Abweichung der Phasen der Ausgangssignale von 90 beträgt höchstens 8. Der eingangsseitige 1dB Kompressionspunkt ist -19dBm, gemessen bei 79GHz.

Der Empfänger arbeitet an 5.5V und benötigt 192 mA.

Abstract (English)

Decreasing the number of road accidents is a major objective of governments worldwide. A big step to achieve this goal is the implementation of on-board systems that capture the surroundings of motorized vehicles. These systems extend the driver's perception and support his reaction. Recent advancements in Silicon-Germanium bipolar technology will drop the cost of safety systems, which will result in their implementation even in low-budget cars. The effect were a substantial improvement in road safety.

This work presents the design, implementation, and characterization of millimeter-wave receiver circuits in SiGe bipolar technology. The target applications are long-range and short-range automotive radar. One circuit has the additional feature of being suitable for high data rate point-to-point communication. These systems operate in the frequency range from 76 to 86GHz, which is a major challenge in the design process. The development of two integrated receiver circuits for different applications is elaborated.

The first design consists of an active down-conversion mixer for long-range automotive radar systems in the frequency range from 76 to 77GHz. The circuit comprises a double-balanced mixer and on-chip single-ended to differential signal converters at the local oscillator as well as the signal port.

The goal of this design is the simultaneous achievement of high linearity and low noise figure. The integrated circuit exhibits a measured input-referred 1dB gain compression point of 0dBm and a measured single-sideband noise figure of 16.5 dB. The conversion gain is 11dB. This circuit consumes 75mA from a 5.5V supply.

The second integrated circuit is a receiver front-end that exhibits a high integration level of millimeter-wave components. The front-end covers either short-range automotive radar applications (77-81GHz) or communication purposes (81- 86GHz). The integrated circuit employs a low-noise amplifier, single-ended to differential signal converters, and down-conversion mixers that deliver differential quadrature output signals. The quadrature generation is done on-chip by a passive transmission line coupler. The receiver front-end exhibits a single-sideband noise figure smaller than 12dB and a conversion gain larger than 28dB over the whole frequency range. The quadrature mismatch is at most 8. The input-referred 1dB gain compression point, measured at 79 GHz, is -19 dBm. The front-end consumes 192mA from a 5.5V supply.

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