Abstract:
Design, Implementierung und Charakterisierung eines ultra-hohen Auflösungs-Radar-Transceiver-Chips im Frequenzbereich von 223-276 GHz wurden vorgestellt. Er wurde in der 130-nm-SiGe-BiCMOS-Technologie von IHP, SG13G2, mit $f_{T}/f_{max}$ von 300/500 GHz implementiert und bietet hohe Ausbeute und sehr große Integrationsmöglichkeiten bei moderaten Maskenkosten. Die hauptsächlich anvisierte Anwendung für den entwickelten Radarfrontend-Chip ist die zerstörungsfreie Inspektion und Charakterisierung von Materialien. In dieser Dissertation wurde angestrebt, einen Transceiver-Chip zu entwickeln, der in einem breiten Frequenzbereich arbeitet, um eine hohe Reichweitenauflösung zu bieten und für den Aufbau von massiven MIMO-Radar-Arrays geeignet ist, um eine hohe Winkelauflösung zu erreichen. ... mehrDer entworfene Transceiver-Chip eignet sich zum Aufbau von massiven MIMO-Radar-Arrays in der Daisy-Chain-Architektur dank seiner kaskadierbaren Funktion aufgrund der ILO-Feedthrough-Synchronisierungstechnik. Auf diese Weise können die Nachteile des zentralen LO-Signalverteilungsnetzes in den konzeptionellen massiven MIMO-Radarstudien vermieden werden. Darüber hinaus verfügt der entworfene Radarfrontend-Chip über einen externen VCO-Eingang und ist daher auch für den Einsatz in MIMO-Radar-Arrays auf der Grundlage der herkömmlichen zentralen LO-Signalverteilungsarchitektur geeignet.
Der entworfene Transceiver-Chip mit der On-Chip-Antenne nimmt eine Fläche von 2,72 mm\textsuperscript{2} (2,16 mm × 1,26 mm) ein. Außerdem wurde auch der Transceiver-Testchip hergestellt, der durch Platzieren des Marchand-Baluns anstelle der On-Chip-Antenne entstanden ist. Der Marchand-Balun wurde für die On-Wafer-Probing platziert und aus den Messergebnissen entfernt, indem die gemessenen Einfügedämpfungsdaten der rückwärts verbundenen Marchand-Baluns verwendet wurden. Wenn der interne VCO deaktiviert und der Eingangsverstärker für den externen LO-Eingang aktiviert wird, zieht das Schaltkreis einen Ruhestrom von 138,1 mA, 151,6 mA und 208 mA aus einer einzigen Spannungsversorgung von 3,3 V bei den Betriebsarten Sender, Empfänger und Transceiver. Im Sendermodus erreicht der Transceiver-Schaltkreis einen Spitzenwert von 3,6 dBm bei 240 GHz und eine 3-dB-Bandbreite von etwa 41 GHz von 220 GHz bis 261 GHz. Auf der anderen Seite beträgt seine Spitzenleistung etwa 3,1 dBm bei 240 GHz mit einer 3-dB-Bandbreite von etwa 45 GHz im Transceiver-Modus. Im Empfängermodus wurde der Spitzenwert des Leistungsabfall-Verstärkungsfakts bei 240 GHz auf etwa 16,24 dB gemessen, und der Schaltkreis erreicht eine gemessene 3-dB-Bandbreite von 41 GHz von 220 GHz bis 261 GHz. Der Unterschied zwischen den gemessenen Leistungsabfall-Verstärkungsergebnissen der Empfänger- und Transceiver-Betriebsarten ist niedriger als 0,7 dB über 220 GHz bis 280 GHz. Im Transceiver-Modus weist der Schaltkreis eine gemessene SSB-Rauschzahl von 18,73 dB bei 255 GHz und besser als 21 dB über die 3-dB-Bandbreite auf. Der gemessene Eingangsreferenz-1-dB-Kompressionspunkt des Empfangswegs wurde bei -16 dBm bei 220 GHz, -16,5 dBm bei 240 GHz und -13,5 dBm bei 260 GHz. Wenn der interne VCO aktiviert ist, verbraucht der Transceiver-Schaltkreis einen Gleichstrom von 197 mA, 213,2 mA und 270,1 mA aus einer einzigen Spannungsversorgung von 3,3 V bei den Betriebsarten Sender, Empfänger und Transceiver. Der gemessene Betriebsfrequenzbereich liegt zwischen 222,7 GHz und 275,6 GHz, was einen Frequenzeinstellbereich von ca. 52,9 GHz ergibt. Im Sendermodus erreicht der Schaltkreis eine Spitzenleistung von 3,3 dBm bei 241 GHz und eine 3-dB-Bandbreite von ca. 43 GHz von 220 GHz bis 263 GHz. Auf der anderen Seite hat der Transceiver-Test-Schaltkreis eine Spitzenleistung von 3 dBm bei 241 GHz und eine 3-dB-Bandbreite reicht von 220 GHz bis 265 GHz im Transceiver-Modus. Der Empfängerkanal im Transceiver-Test-Schaltkreis erreicht eine gemessene Spitzenleistungsabfall-Verstärkung von 16,5 dB bei 240,5 GHz und hat eine 3-dB-Frequenzbandbreite von ca. 40 GHz von 220 GHz bis 260 GHz. Der niedrigste Wert der Rauschzahl wurde bei 255 GHz auf 18,7 dB gemessen. Die gemessene Rauschzahl ist besser als ca. 20,6 dB über die 3-dB-Frequenzbandbreite. Der gemessene Eingangsreferenz-1-dB-Kompressionspunkt des Empfängerkanals beträgt -15 dBm bei 230 GHz, -16,4 dBm bei 240 GHz und -14 dBm bei 260 GHz. Der Schaltkreis erreicht eine Amplitudenimbalanz von weniger als 1 dB und einen Phasenfehler von weniger als ca. 4° entlang des Frequenzeinstellbereichs von 222,7 GHz bis 275,6 GHz. Diese Werte gewährleisten, dass der I / Q-Empfängerkanal eine Bildablehnungsrate von mehr als 23,5 dBc über den Frequenzeinstellbereich aufweist.
Abstract (englisch):
The design, implementation, and characterization of an ultra-high resolution 223-276 GHz radar transceiver chip have been presented. It was implemented in IHP’s 130-nm silicon-germanium (SiGe) bipolar-complementary-metal-oxide-semiconductor (BiCMOS) technology, SG13G2, with a unity current gain cut-off frequency ($f_{T}$) of 300 GHz and a maximum oscillation frequency ($f_{max}$) of 500 GHz, offering high yield and very-large-scale of integration with moderate mask costs. The mainly targeted application for the developed radar front-end chip is the non-destructive inspection and characterization of materials. ... mehrIn this dissertation, it has been aimed to develop a transceiver chip that operates in a broad frequency range to provide high range resolution and is suitable for building massive multiple-input multiple-out (MIMO) radar arrays to achieve high angular resolution. The designed transceiver chip is suitable to build massive MIMO radar arrays in the daisy-chain architecture thanks to its cascadable feature based on the injection-locked local oscillator (ILO) feedthrough synchronization technique. In this way, the drawbacks of the central local oscillator (LO) signal distribution network in the conceptual massive MIMO radar studies can be avoided. In addition, the designed radar front-end chip has an external voltage-controlled oscillator (VCO) input, making it also suitable for use in MIMO radar arrays based on the conventional central LO signal distribution architecture.
The designed transceiver chip with the on-chip antenna occupies an area of 2.72 mm\textsuperscript{2} (2.16 mm × 1.26 mm). In addition, the transceiver test chip derived by placing the Marchand balun instead of the on-chip antenna was also manufactured. The Marchand balun was placed for on-wafer probing and de-embedded from the measurement results using the measured insertion loss data of the back-to-back connected Marchand baluns. When the internal VCO is de-activated and the input amplifier for the external LO input is activated, the circuit draws a quiescent direct current (DC) current of 138.1 mA, 151.6 mA, and 208 mA from a single supply of 3.3 V, respectively, for the transmitter, receiver, and transceiver operation modes. In the transmitter mode, the transceiver circuit achieves a peak output power value of 3.6 dBm at 240 GHz, and its 3-dB frequency bandwidth is about 41 GHz, from 220 GHz to 261 GHz. On the other hand, its peak output power is around 3.1 dBm at 240 GHz with a 3-dB bandwidth of about 45 GHz in the transceiver mode. In the receiver mode, the peak value of the down-conversion power gain was measured to be about 16.24 dB at 240 GHz, and the circuit achieves a measured 3-dB bandwidth of 41 GHz from 220 GHz to 261 GHz. The difference between the measured down-conversion power gain results of the receiver and transceiver operating modes is lower than 0.7 dB across 220 GHz to 280 GHz. In the transceiver mode, the circuit exhibits a measured single sideband (SSB) noise figure of 18.73 dB at 255 GHz, and better than 21 dB across the 3-dB bandwidth. The measured input referred 1-dB compression point of the receiving path was found to be –16 dBm at 220 GHz, -16.5 dBm at 240 GHz, and –13.5 dBm at 260 GHz. When the internal VCO is activated, the transceiver circuit consumes a DC current of 197 mA, 213.2 mA, and 270.1 mA from a single supply voltage of 3.3 V, respectively, for the transmitter, receiver, and transceiver operation modes. The measured operating frequency range is from 222.7 GHz to 275.6 GHz, resulting in a frequency tuning range of about 52.9 GHz. In the transmitter mode, the circuit achieves a peak output power of 3.3 dBm at 241 GHz, and its 3-dB bandwidth is around 43 GHz, from 220 GHz to 263 GHz. On the other hand, the transceiver test circuit has a peak output power value of 3 dBm at 241 GHz, and the 3-dB bandwidth extends from 220 GHz to 265 GHz in the transceiver mode. The receiver channel in the transceiver test circuit achieves a measured peak down-conversion power gain of 16.5 dB at 240.5 GHz and has a 3-dB frequency bandwidth of about 40 GHz, from 220 GHz to 260 GHz. The minimum value of the noise figure was measured to be 18.7 dB at 255 GHz. The measured noise figure is better than approximately 20.6 dB across the 3-dB frequency bandwidth. The measured input referred 1-dB compression point of the receiver channel is -15 dBm at 230 GHz, -16.4 dBm at 240 GHz, and -14 dBm at 260 GHz. The circuit achieves an amplitude imbalance of lower than 1 dB and a phase error of less than approximately 4° along the frequency tuning range from 222.7 GHz to 275.6 GHz. These values ensure that the in-phase and quadrature (I/Q) receiver channel has an image rejection ratio of higher than 23.5 dBc over the frequency tuning range.
