LO Generation and Distribution for a Phased Array Transceiver

Abstract

Modern smart phones are beginning to be a necessity such as electricity and clean water. Advancing technologies have enabled the cellphone to be used as a computer with broadband internet. However, the increasing number of users and services require higher and higher data rates, which the existing cellular technologies such as 4G cannot support. The next generation telecommunication standard 5G is the next step that enables the growth of demand in higher data rate, higher number of users and features that the 4G does not support. 5G requirements are reached with millimeter wave (mmWave) radios and phased antenna arrays. The frequencies have to be higher than the ones 4G uses to fit the wide bandwidth needed for high data rates because the bands below few gigahertz are densely populated. Phased antenna arrays enhance the efficiency of the system by focusing the radio signals into narrow beams between devices. This way the radio wave energy is not wasted. Power efficiency is in critical role in phased arrays especially in mobile devices. The largest power consumers in simple wideband systems are typically power amplifiers and data converters. However, as large antenna arrays have multiple transmission and receive (TRX) chains in parallel, also the power consumption of other blocks may become significant. This work studies the distribution of local oscillator (LO) signal to mixers of the TRX chains. In a single TRX system, the LO-signal distribution is simple and low power because the LO-generation circuitry is only for one chain and its location is typically next to the mixers. In case of multiple TRX integrated circuit the distribution of the LO signal at mmWave is very lossy and the TRX chains have large distances between each other. This work also gives the basics of radio frequency IC (RFIC) design and the commonly used blocks in the LO distribution network, such as voltage controlled oscillators, frequency multipliers and frequency dividers. Focus is put on the frequency dividers and as experimental part of the thesis, three current mode logic static frequency dividers were designed with a 45-nm silicon-on-insulator (SOI) complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process to be used in 5G applications below 40 GHz. IC Layout of one variant was designed and its parasitic components were extracted and simulated. Parasitic components have big impact on performance especially on mmWave frequencies. The parasitics lowered the center frequency of the divider from 33 GHz to 22 GHz.

Nykypäivänä älypuhelimet ovat alkaneet olla jo itsestäänselvyys siinä missä sähkö ja puhdas vesikin. Teknologian kehittyessä matkapuhelimesta on tullut erittäin yleinen päätelaite internetin käyttämiseen suurilla datanopeuksilla. Käyttäjien määrä kuitenkin jatkaa kasvuaan ja nykyiset palvelut vaativat yhä suurempia datanopeuksia, mikä vie olemassa olevat 4G-tietoliikennejärjestelmät äärirajoille. Seuraavan sukupolven langattoman tietoliikenteen standardista, 5G:stä, ollaan kehittämässä seuraajaa, joka kestää kasvun suuremmilla datanopeuksilla, käyttäjämäärillä ja monipuolisemmalla verkolla mitä 4G ei pysty tarjoamaan. 5G:n mahdollistavat muun muassa millimetriaaltoalueen radiot ja vaiheistetut antenniryhmät. 4G taajuuksia korkeampia taajuuksia on käytettävä, koska spektrissä muutamaan gigahertsiin asti ei ole tilaa uusille laajakaistaisille järjestelmille. Vaiheistetut antenniryhmät parantavat järjestelmän tehokkuutta kohdistamalla radiosignaalit kapeiksi keiloiksi laitteiden välillä, jolloin energiaa ei kulu hukkaan. Suurien antenniryhmien lähetinvastaanottimilla on kuitenkin kiinnitettävä huomiota energiatehokkuuteen etenkin mobiililaitteissa. Suurimmat tehonkuluttajat ovat yksinkertaisilla laajakaistaisilla järjestelmillä tehovahvistimet ja datamuuntajat, mutta koska suurilla antenniryhmillä lähetinvastaanotin (TRX) ketjuja on useita, myös muiden lohkojen tehonkulutus voi kasvaa merkittävän suureksi. Tämä työ käsittelee paikallisoskillaattorisignaalin (LO) jakamista TRX ketjujen miksereille. Yhden TRX-ketjun LO-signaalin jakamisen tehonkulutus on merkityksettömän pieni koska LO-signaalin lähde on tyypillisesti fyysisesti lähellä ketjun miksereitä. Samalla integroidulla piirillä (IC) olevien erillisten TRX-ketjujen etäisyydet ovat kuitenkin suuria, jolloin LO-signaalin jako etenkin millimetriaaltosignaaleilla piisirulla usealle ketjulle on suurihäviöistä. Työssä tutkitaan LO-signaalin jakoverkon suunnittelua ja annetaan perusteet radiopiirien suunnittelusta IC:llä. Tyypillisimmät jakoverkon lohkot, kuten jänniteohjatut oskillaattorit, taajuusjakajat ja taajuuskertojat käydään läpi, antaen lukijalle kattava katsaus käytössä olevasta työkaluista LO-signaalin jakamiseen. Työn lopussa käydään läpi käytännön suunnitteluvuo 45nm piiprosessilla yhdestä LO-signaalin jakoverkon komponentista: virtalogiikkaan perustuvasta staattisesta taajuusjakajasta. Taajuusjakajasta suunniteltiin kolme eri versiota jotka soveltuvat 5G-sovelluksiin alle 40 GHz:n taajuusalueisiin. Yhdestä jakajasta piirrettiin IC-layout, jonka parasiittiset komponentit ekstraktoitiin ja simuloitiin. Ekstraktoinnilla on suuri merkitys etenkin millimetriaaltoalueen IC-piireillä, sillä parasiittiset komponentit heikentävät toimintaa. Suunnitellun taajuusjakajan keskitaajuus putosi noin 33 GHz:sta noin 22 GHz:iin eli kolmanneksen parasiittisten komponenttien myötä.