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Millimeter-wave antenna selection switch using advanced CMOS technologies

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Pham, Hoai Tan (2020). Millimeter-wave antenna selection switch using advanced CMOS technologies. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The main objective of this research work is to develop an innovative on-chip CMOS-based antenna switching circuit for fifth-generation (5G) mobile communication equipment.

The specific objectives are to study, design, simulate, test, and validate the operation of the proposed CMOS-based antenna switching circuit operating at 28GHz. The switching circuit comprises an SPDT (Single Pole Double Throw) switch circuit on a single chip in CMOS technology, along with the necessary transmission lines embedded into a multi-layer laminate for the connection between the on-chip switch circuitry and the two antennas.

The necessity for the coexistence of RF & mm-wave technologies (e.g., WLAN transceivers in 5GHz band and machine-to-machine communication transceivers in the 28GHz band) in future wireless communication equipment imposes integration design challenges in the Power Amplifier (PA) module intended for the transmitter front ends. A key aspect is the necessity to include mm-wave antenna switching capabilities in the same PA module while favoring miniaturization. This requires innovation in the design and integration of low-loss CMOS switching circuits on the same 28 GHz PA IC. It also complicates the design of the transmitter front-end, as it requires low-loss transmission paths from the Power Amplifier IC to different RF & millimeter-wave antenna locations on the communication equipment’s PCB.

The starting point is the study of the design documentation on a basic structure of a millimeterwave antenna switch designed at Skyworks Solutions, Inc. An in-depth investigation accompanies this study through simulation of state-of-the-art switch architectures and circuit techniques proposed in the literature as well as other compatible industrial designs. This study is followed by the characterization of CMOS devices in conjunction with the design of switch circuitry. In particular, key switch performance metrics such as achieving lower insertion losses and good isolation with advanced CMOS technology is pursued and demonstrated through the design of an asymmetric SPDT fabricated using a 45nm CMOS SOI process. The measured insertion loss and isolation at 28GHz from Tx-to-Rx are 0.9dB and 28dB, respectively.

Résumé traduit

L'objectif principal de ce travail de recherche est de développer un circuit de commutation d'antenne innovant sur circuit intégré (CI) CMOS pour les équipements de communication mobile de cinquième génération (5G).

Les objectifs spécifiques sont d'étudier, de concevoir, de simuler, de tester et de valider le fonctionnement du circuit de commutation d'antenne CMOS proposé fonctionnant à 28 GHz. Le circuit de commutation comprend un circuit de commutation SPDT (Single Pole Double Throw) sur une seule puce en technologie CMOS, ainsi que les lignes de transmission nécessaires intégrées dans un stratifié multicouche pour la connexion entre le circuit de commutation sur puce et les deux antennes.

La nécessité de la coexistence des technologies RF et ondes millimétriques (par exemple, les émetteurs récepteurs WLAN dans la bande 5 GHz et les émetteurs récepteurs de communication machine à machine dans la bande 28 GHz) dans les futurs équipements de communication sans fil impose des défis de conception et d'intégration dans le module Amplificateur de puissance (PA) destiné aux émetteurs frontaux.

Un aspect clé est la nécessité d'inclure des fonctions de commutation d'antenne à ondes millimétriques dans le même module PA tout en favorisant la miniaturisation. Cela nécessite une innovation dans la conception et l'intégration de circuits de commutation CMOS à faible perte sur le même CI PA 28 GHz. Cela complique également la conception de la partie frontale de l'émetteur, car elle nécessite des connexions à faible perte à partir du circuit intégré de l'amplificateur de puissance vers différents emplacements d'antenne RF et à ondes millimétriques sur le circuit imprimé (PCB) de l'équipement de communication.

Le point de départ est l'étude de la documentation de conception sur une structure de base d'un commutateur d'antenne à ondes millimétriques conçu chez Skyworks Solutions, Inc. Une étude approfondie accompagne cette recherche, à travers des simulations d'architectures et de circuits de commutation de pointe, une revue des techniques proposées dans la littérature ainsi que dans d’autres modèles industriels compatibles. Cette étude est suivie par la caractérisation des dispositifs CMOS, conjointement avec la conception des circuits de commutation requis. En particulier, des performances de commutateur clés, telles que l'obtention de pertes d'insertion plus faibles et une bonne isolation, avec une technologie CMOS avancée sont investiguées et démontrées par la conception d'un commutateur SPDT asymétrique. La perte d'insertion et l'isolement mesurés à 28 GHz de Tx à Rx sont respectivement de 0,9 dB et 28 dB.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 65-68).
Mots-clés libres: CMOS, commutateur unipolaire à double course (SPDT), ondes millimétriques, semi-conducteur sur isolant (SOI), perte d’insertion, isolation, émetteur, récepteur, amplificateur
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Constantin, Nicolas
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 17 nov. 2020 18:55
Dernière modification: 19 nov. 2020 15:39
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2580

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