Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Сравнительный анализ активных SiGe смесителей миллиметрового диапазона А.C. Будяков, П.С. Будяков, Н.Н. Прокопенко budyakovp@gmail.com Введение Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса - опорные магистральные беспроводные каналы связи; - беспроводная опорная сеть для базовых станций операторов мобильной телефонии, для соединения базовых станций WiFi, WiMAX и LTE; - беспроводная альтернатива оптическим кабельным каналам Интернет; - комплексное подключение (Интернет, LAN телефония) бизнес-центров и жилых зданий - синхронизация данных между устройствами на коротких расстояниях (для диапазона 60 ГГц) - подключение "последней мили" ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 www.sssu.ru ©2012 A Fundamental Frequency 120-GHz SiGe BiCMOS Distance Sensor With Integrated Antenna Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса by Ioannis Sarkas, Sorin P. Voinigescu and STMicroelectronics ©2012 ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 www.sssu.ru ©2012 140 GHz radar/radio transceiver Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса by Katya laskin, Sean Nicolson and STMicroelectronics ©2008, BCTM-2009 ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 www.sssu.ru ©2012 Параметры SiGe технологий фирмы IHP Техн. Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса SG13S Транз. npn13P npn13V AE 0.12 x 0.48 µm2 0.18 x 1.02 µm2 fmax 300 ГГц 120 ГГц fT 250 ГГц 45 ГГц Uкэ.проб 1.7 В 3.7 В Uкб.проб 5.0 В 16 В β 900 600 MIM конденсатор 1.5 фФ/мкм2 N+ Poly резистор - P+ Poly резистор 250 Ом/кв High Poly резистор Индуктивность Q@5 ГГц 1600 Ом/кв 18 (1 нГн) Толщина металла 3 мкм Количество слоев металлизации 5 ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 www.sssu.ru ©2012 ОБЗОР СМЕСИТЕЛЕЙ ДИАПАЗОНА КВЧ Ссылка на публикацию [6] 0,25 мкм SiGe [11] с каскодным расположением гетеродина 0,13 мкм SiGe [13] с верхним расположением гетеродина 0,12 мкм SiGe Архитектура Гильберт Технологический процесс Центральная частота рабочего диапазона, ГГц Входная мощность при компрессии коэффициента преобразования на 1 дБ, дБм Коэффициент преобразования, дБ Мощность гетеродина, дБм Потребляемая мощность, мВт Площадь кристалла, мм2 60 220 50 -5,6 - -16,5 2,2 4 33 0,283 0 0 59 - 9 6 23 0,32 ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 www.sssu.ru Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса ©2012 СМЕСИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ЯЧЕЙКИ ГИЛЬБЕРТА Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса +3,3 В L2 75p L1 75p 3 v1dB C2.вых C1.вых РЧ+ КП РЧ3.8m 3.8m Q3 2x Г+ 3.8m Q4 2x Q5 2x 3.8m 2 2 т ( g m RE 1 ) 2 5,25 где u вых u Rн tanh( Г ) u вх 2 т 1 RE gm т 26 мВ – температурный потенциал; gm Q6 2x - крутизна нижней дифференциальной пары на транзисторах Q1, Q2 RE , RН Г- 7.6m ПЧ+ Q1 4x - сопротивления эмиттерных резисторов и нагрузки. 7.6m R1 R2 20 20 ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 Q2 4x ПЧ- www.sssu.ru ©2012 Симметрирующее устройство 120 ГГц • • • • • Широкая полоса пропускания Малые потери Планарная структура Входное сопротивление 50 Ом Выходное 100 Ом Zoe≈ 121 Ом Вход Z oe Z oo k Z oe Z oo Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Zoо≈20,6 Ом λ/4 λ/4 λ/4 Х.Х λ/4 λ/4 -1.25 -10 -1.30 -12 dB(S(2,2)) dB(S(1,1)) dB(S(2,1)) Выход -1.35 -1.40 -1.45 -14 -16 -18 -1.50 100 105 110 115 120 125 130 135 140 freq, GHz -20 100 105 110 115 120 125 130 135 140 freq, GHz ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 www.sssu.ru ©2012 Пассивные компоненты Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 www.sssu.ru ©2012 Топология 120 ГГЦ смесителя Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Диапазон частот, ГГц Ток потребления, мА Коэффициент преобразования, дБ Выходная точка компрессии на 1дБ, дБм Полоса пропускания ПЧ по уровню минус 3 дБ, ГГц 0,13 мкм БиКМОП 113...127 16,4@3,3В 2,3 -5 0,5...7,4 Г-РЧ изоляция, дБ Мощность гетеродина, дБм не менее 55 6 Тип входа Г, РЧ – однофазные ПЧ – дифферен. ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 783 мкм GND +ЕП GND ПЧ+ 625 мкм Техпроцесс GND GND РЧ+ ПЧGND GND www.sssu.ru Г+ GND ©2012 Субгармонический смеситель Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Субгармонический смеситель РЧ (103-133 ГГц) 3,5 В 1/fГ +3,5 В ПЧ (0-13 ГГц) L2 133 p L1 133 p C1.вых 0° 180° 90° C2.вых РЧ+ 270° квадратурный направденный ответвитель 0° 1 РЧ- РЧ балун 2.25m 2.25m 180° Q7 2x ГI Q8 2x Q9 2x 1/fГ Q10 2x 1 ГQ Q3 2x ГQ Г (60 ГГц) t -1 2.25m 2.25m ГI Г балун ГI Q4 2x ГQ 4.5m ПЧ+ Q1 4x t -1 Q5 2x Q6 2x 1/(2fГ) 4.5m Q2 4x 1 ПЧ- ГI·Q t -1 ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 www.sssu.ru ©2012 Квадратурный направленный ответвитель Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса 120фФ 70,7 Ом λ/12 70,7 Ом λ/8 λ/8 70,7 Ом λ/12 Дифференциальный выход 0°, 180° #3 Изолированный вход #3 120фФ -4 Дифференциальный выход 90°, 270° #2 70,7 Ом -5 S(2,1), дБ S(3,1), дБ 120фФ Дифференциальный вход 0°, 180° #1 120фФ -6 -7 S(2,1) -8 S(3,1) -9 -10 40 м мк 50 55 60 65 70 75 80 Частота, ГГц 6м км Разбаланс по фазе, градусы 8 23 24 45 96 94 92 90 88 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 Частота, ГГц ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 www.sssu.ru ©2012 Симметрирующее устройство 60 ГГц Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса -1.4 dB(S(2,1)) -1.6 -1.8 -2.0 -2.2 -2.4 40 45 50 55 60 65 70 75 80 freq, GHz -6 -8 dB(S(2,2)) dB(S(1,1)) -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 40 45 50 55 60 65 70 75 80 freq, GHz ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 www.sssu.ru ©2012 Нагрузка и согласование Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 www.sssu.ru ©2012 Топология субгармонического смесителя Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса 1250 мкм GND РЧ GND 690 мкм GND Г +Еп GND GND ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 ПЧ+ GND ПЧ- www.sssu.ru GND ©2012 Результаты моделирования Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Техпроцесс Частота, ГГц Ток потребления, мА Коэффициент преобразования, дБ Выходная 1дБ точка компрессии, дБм Полоса пропускания ПЧ по уровню минус 3 дБ, ГГц Г-РЧ изоляция, дБ Мощность гетеродина, дБм Тип входа ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 0,13 мкм БиКМОП 103…133 10,2@3,5В 5,2 минус 12,4 0,5...13 43 4 Г, РЧ – однофазные ПЧ – дифферен. www.sssu.ru ©2012 Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Спасибо за Внимание! ЮРГУЭС 346500 Ростовская обл., Шахты ул. Шевченко, 147 www.sssu.ru ©2012