Radio receiver front-end ICs at the sub-THz/THz frequency range in silicon technology
Singh, Sumit Pratap (2024-06-18)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202405083216
Kuvaus
Tiivistelmä
A highly integrated and high-speed Si-based radio front-end at 300 GHz is severely limited by the cut-off frequencies (ft / fmax) of semiconductor technologies. This thesis proposes various solutions by implementing 300 GHz radio receiver front-end circuits on 130 nm SiGe BiCMOS technology with ft / fmax of 300 GHz/450 GHz.
To overcome high power consumption and near- fmax operation related impairments, this thesis adopts mixer-first sliding-IF architecture for a receiver front-end operating beyond 2/3( fmax) of the semiconductor technology. In this case, downconversion of the carrier signal at 300 GHz is performed firstly by the LO signal at two-thirds of the carrier signal, which is further downconverted by the I/Q LO signal at one-third of the carrier signal. Consequently, this architecture reduces power consumption, I/Q imbalances, and added phase noise and mixing-spurs caused by the long multiplier chain in the LO signal generation. Additionally, sliding-IF architecture facilitates signal amplification at the IF stage, which also reduces the noise contribution of the subsequent I/Q mixing stage. The measured response of the receiver front-end provides maximum conversion gain of 15.2 dB at 310 GHz, and the measured input-referred compression point and single side-band noise figure are -17 dBm and 29.5 dB, respectively. Together the RF and LO chain consume less than 400 mW of DC power. The modulated signal measurements are performed using 16-QAM with 4 GHz BW, 64-QAM with 2 GHz BW and 256-QAM with 0.5 GHz BW, with an EVM of 8.2%, 5.5% and 2.7%, respectively.
Aiming to improve the SNR of the receiver, this thesis also studies and implements the low noise amplifiers operating beyond- fmax /2. It is shown that gain boosting techniques do not always provide performance improvements over a more conventional circuit topology when operating close to fmax. Subsequently, the theory is validated by the successful implementation of LNAs operating beyond-fmax /2 of the technology. Including losses due to GSG pads and baluns, a multistage pseudo-differential cascode LNA measures a 12.9 dB gain with a 3-dB bandwidth of 23 GHz, and 16 dB of noise figure at 290 GHz. This work demonstrates the possibility to implement an LNA-first receiver front-end operating at frequencies as high as 2/3( fmax) of the semiconductor technology with a lower NF than that can be achieved using the mixer-first approach.
Integroidun piipohjaisen radioetupään suorituskyky 300 GHz:llä heikkenee voimakkaasti lähestyttäessä transistorin rajataajuutta. Tässä väitöskirjassa esitetään erilaisia rakenteita toteuttaa 300 GHz:n radiovastaanottimen etupään piiriratkaisut käyttäen 130nm:n pii-germaanium BiCMOS teknologiaa, jonka raja- ja maksimitaajuudet ovat 300 GHz ja 450 GHz:ä. Tämä väitöskirja soveltaa suoraa sekoitinpohjaista liukuvan välitaajuuden arkkitehtuuria vastaanottimen etupäässä, joka toimii yli 2/3 transistorin maksimitaajuudesta hallitsemaan tehonkulutuksen ja korkeaan taajuuteen liittyvät epäideaalisuudet. Tässä tapauksessa radiotaajuuden alassekoitus 300 GHz:ltä tehdään ensin paikallisoskillaattorisignaalilla, joka on kaksi kolmasosaa radiotaajuudesta. Tämän jälkeen signaali alassekoitetaan kvadratuurihaaroihin paikallisoskillaattorilla, jonka taajuus on kolmannes alkuperäisestä radiotaajuudesta. Tämä arkkitehtuuriratkaisu pienentää tehonkulutusta, kvadratuurivirheitä sekä ylimääräistä vaihekohinaa ja sekoituksen harmonisia komponentteja, joita kertojapiirit aiheuttavat paikallisoskillaatorisignaalille. Tämän lisäksi liukuvan välitaajuuden arkkitehtuuri helpottaa signaalin vahvistamista ja pienentää kvadratuurisekoituksesta aiheutunutta kohinaa. Vastaanottimen etupään mitattu vaste tuottaa 15,2 dB:n vahvistuksen 310 GHz:llä. Mitattu tuloon referoitu kompressiopiste on -17 dBm:ä ja yksisivukaistainen kohinaluku 29,5 dB:ä. Radiotaajuisen ja lokaalioskillaattorin signaalipolut kuluttavat yhteensä alle 400 mW:a tehoa. Moduloidut signaalimittaukset on tehty 16-QAM signaalilla, jonka kaistanleveys on 4 GHz:ä, 64-QAM signaalilla kaistanleveydeltään 2 GHz:ä ja 256-QAM signaalilla kaistanleveydeltään 0.5 GHz:ä. Näiden mittausten virhevektorit ovat 8,2 %, 5,5 % ja 2,7 %.
Tavoiteltaessa signaalikohinasuhteen parantamista väitöskirja tutkii ja toteuttaa myös vähäkohinaisen vahvistimen taajuudella, joka on yli puolet transistorin maksimitaajuudesta. Työ osoittaa, että vahvistuksen parannustekniikat eivät aina tuota parempaa suorituskykyä kuin tavanomaisemmat piiriratkaisut, kun toimintataajuus on lähellä transistorin maksimitaajuutta. Teoria on todennettu toteuttamalla vähäkohinainen vahvistin, joka toimii taajuudella, joka on yli puolet transistorin maksimitaajuudesta. Ottaen huomioon liitoskontaktien ja differentiaalimuuntimen häviöt moniasteinen, pseudo-differentiaalinen vahvistin saavuttaa 12,9 dB:n vahvistuksen 23 GHz:n kaistalla ja 16 dB:n kohinaluvun 290 GHz:llä.
Original papers
-
Hietanen, M., Singh, S. P., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2021). Noise consideration of radio receivers using silicon technologies towards 6G communication. 2021 Joint European Conference on Networks and Communications & 6G Summit (EuCNC/6G Summit), 514–519. https://doi.org/10.1109/EuCNC/6GSummit51104.2021.9482508 https://doi.org/10.1109/EuCNC/6GSummit51104.2021.9482508
-
Singh, S. P., Rahkonen, T., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2021). A 290 GHz low noise amplifier operating above f max/2 in 130 nm SiGe technology for sub-THz/THz receivers. 2021 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 223–226. https://doi.org/10.1109/RFIC51843.2021.9490435 https://doi.org/10.1109/RFIC51843.2021.9490435
-
Singh, S. P., Rahkonen, T., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2023). Design aspects of single-ended and differential sige low-noise amplifiers operating above f max /2in sub-THz/THz frequencies. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 58(9), 2478–2488. https://doi.org/10.1109/JSSC.2023.3264475 https://doi.org/10.1109/JSSC.2023.3264475
-
Rasilainen, K., Chen, J., Nokandi, M. J., Singh, S. P., Leinonen, M. E., Berg, M., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2024). Over-the-air characterization of a steerable sub-THz Si lens and on-chip antenna system. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 72(5), 2883–2898. https://doi.org/10.1109/TMTT.2023.3329724 https://doi.org/10.1109/TMTT.2023.3329724
-
Singh, S. P., Nokandi, M. J., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2020). On the use of sub-harmonic mixer in sliding-IF architecture for mm-Wave/THz transceivers. 2020 2nd 6G Wireless Summit (6G SUMMIT), 1–4. https://doi.org/10.1109/6GSUMMIT49458.2020.9083758 https://doi.org/10.1109/6GSUMMIT49458.2020.9083758
-
Singh, S. P., Nokandi, M. J., Montaseri, M. H., Rahkonen, T., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2023). A 300-320 GHz sliding-IF I/Q receiver front-end in 130 nm SiGe technology. 2023 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 37–40. https://doi.org/10.1109/RFIC54547.2023.10186199 https://doi.org/10.1109/RFIC54547.2023.10186199
Osajulkaisut
-
Hietanen, M., Singh, S. P., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2021). Noise consideration of radio receivers using silicon technologies towards 6G communication. 2021 Joint European Conference on Networks and Communications & 6G Summit (EuCNC/6G Summit), 514–519. https://doi.org/10.1109/EuCNC/6GSummit51104.2021.9482508 https://doi.org/10.1109/EuCNC/6GSummit51104.2021.9482508
-
Singh, S. P., Rahkonen, T., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2021). A 290 GHz low noise amplifier operating above f max/2 in 130 nm SiGe technology for sub-THz/THz receivers. 2021 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 223–226. https://doi.org/10.1109/RFIC51843.2021.9490435 https://doi.org/10.1109/RFIC51843.2021.9490435
-
Singh, S. P., Rahkonen, T., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2023). Design aspects of single-ended and differential sige low-noise amplifiers operating above f max /2in sub-THz/THz frequencies. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 58(9), 2478–2488. https://doi.org/10.1109/JSSC.2023.3264475 https://doi.org/10.1109/JSSC.2023.3264475
-
Rasilainen, K., Chen, J., Nokandi, M. J., Singh, S. P., Leinonen, M. E., Berg, M., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2024). Over-the-air characterization of a steerable sub-THz Si lens and on-chip antenna system. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 72(5), 2883–2898. https://doi.org/10.1109/TMTT.2023.3329724 https://doi.org/10.1109/TMTT.2023.3329724
-
Singh, S. P., Nokandi, M. J., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2020). On the use of sub-harmonic mixer in sliding-IF architecture for mm-Wave/THz transceivers. 2020 2nd 6G Wireless Summit (6G SUMMIT), 1–4. https://doi.org/10.1109/6GSUMMIT49458.2020.9083758 https://doi.org/10.1109/6GSUMMIT49458.2020.9083758
-
Singh, S. P., Nokandi, M. J., Montaseri, M. H., Rahkonen, T., Leinonen, M. E., & Pärssinen, A. (2023). A 300-320 GHz sliding-IF I/Q receiver front-end in 130 nm SiGe technology. 2023 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), 37–40. https://doi.org/10.1109/RFIC54547.2023.10186199 https://doi.org/10.1109/RFIC54547.2023.10186199
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38358]