Analysis and design of high performance building blocks for phased array system in BiCMOS technology

Phased array systems are spreading a lot in these years due to their higher performances respect to a single antenna. These systems have been progressively more and more employedin many fields such as satellite communications, high data rate links (emerging 5G technology), military and automotive radars. Initially they where only used for military applicationsdue to their higher costs and complexity. Thanks to the technology development and the researchers efforts, these days it is possible to integrate on the same chip an entire phased array system, leading to a drastic cost reduction. The explosive growth of the applications that use the phased array approach is the motivation behind this thesis, which deals with the analysis and design of high performance building blocks for phased array systems. The first part of this work gives a brief introduction on the phased array systems illustrating the working principle, the main tasks and issues of the design related to the need for high resolution and directivity of the antennas array. The second part of the thesis is dedicated to the analysis and design of building blocks for phased array systems. More in detail, the design of VGA (variable gain amplifier) and VCO (voltage controlled oscillator) will be described. VGAs are very important in the whole system because they are responsible for the array directivity and precision in the beam forming. The impact of the VGA performance impact on the phased array functionality is hence treated and analyzed. The phase behavior when the gain setting is changed is analyzed and discussed in depth. The aim of the design is to keep the phase of the signal constant for all the gain range variation in the frequency band of the amplifier. Several phase error compensation techniques have been studied and implemented. Some X -Band SiGe VGA have been realized and measured. The performance in terms of phase error as the gain is varied out-performs the state-of-the-art. In addition to X -Band applications, some work on the upcoming 5G Communication Network has been done. A Wide Band (15 − 40 GHz) Variable Gain Amplifier has been prototyped in SiGe BiCMOS technology and a 28 GHz VGA has been implemented in a 40 nm CMOS Technology. The VCO is the other fundamental building block that we take into consideration in this thesis. In this case, we focus our attention on the phase noise, a crucial parameter that is directly related to the performance of the phased array system. An in-depth analysis on the minimization of the phase noise has been done and some K-band (i.e. 18-27 GHz) VCOs have been realized in a SiGe bipolar technology. The VCOs feature a phase noise as low as -137 dBc/Hz at 10 MHz offset from the carrier. This result out-performs the state of the art if compared to other Silicon K-band Silicon-based VCOs. Only VCOs implemented using compound semiconductor technologies show better performance in terms of phase noise. However the technology cost is in this case, dramatically higher. The work shows the feasibility of realizing high performance building blocks for phase array systems in Silicon technology. The possibility to integrate an entire phased array system on the same chip leads to a drastic cost reduction, overcoming the barrier that has stopped the development of this approach for several applications for many years. This a is crucial point for the development of next generation high data rate communication links and high precision automotive and military radars.

I sistemi Phased Array si stanno diffondendo molto in questi anni grazie alle loro elevate prestazioni rispetto alla singola antenna. Questi sistemi sono stati usati sempre più in molti campi, per esempio nelle comunicazioni satellitari, nei link ad alta velocità di trasmissione (emergente tecnologia 5G), nei radar militari e automotive. Inizialmente erano usati solo nelle applicazioni militari a causa dell’elevato costo e complessità del sistema. Grazie allo sviluppo di nuove tecnologie e allo sforzo dei ricercatori, al giorno d’oggi è possibile integrare nello stesso chip un intero sistema Phased Array, portando quindi ad una drastica riduzione dei costi. La motivazione di questa tesi è appunto la crescita esplosiva delle applicazioni che adottano l’approccio dei Phased Array, in particolare la tesi si occupa dell’analisi e progettazione di blocchi circuitali ad alte prestazioni per i sistemi Phased Array. La prima parte del lavoro consiste in una breve introduzione dei sistemi con array di antenne illustrando il principio di funzionamento gli oobiettivi e le problematiche della progettazione relazionate al bisogno di avere alta risoluzione e direttività dell’array di antenne. La seconda parte della tesi è dedicata all’analisi e progettazione di blocchi circuitali per i sistemi Phased Array. Più in dettaglio, verrà descritta la progettazione di VGA (amplificatori a guadagno variabile) e VCO (Oscillatori controllati in tensione). I VGA sono molto importanti nel sistema perche sono responsabili della direttività dell’array e nella precisione nella formazione del fascio. Nella tesi viene analizzato l’impatto delle prestazioni del VGA rispetto alla funzionalità del sistema. Viene analizzato più in particolare il comportamente della phase del segnale rispetto alla variazione del guadagno. L’obiettivo del progetto è quello di avere la fase del segnale costante per tutto il range di variazione di guadagno nella banda di frequenze dove opera l’amplificatore. Sono state studiate e implementate diverse tecniche di compensazione dell’errore di fase. Sono stati realizzati e misurati diversi VGA in banda X in Silicio Germanio. Le prestazioni in termini di errore di fase superano lo stato dell’arte. Oltre alle applicazioni in banda X è stato fatto del lavoro per l’imminente tecnologia di comunicazione 5G. E’ stato prototipato un amplificatore a guadagno variabile a ix larga banda (15 − 40 GHz) in tecnologia SiGe BiCMOS ed un VGA a 28 GHz in tecnologia CMOS 40 nm. Il VCO è un altro fondamentale blocco circuitale che abbiamo preso in considerazione in questa tesi. In questo caso ci siamo focalizzati sul rumore di fase, un parametro cruciale che è direttamente collegato alle prestazioni del sistema Phased Array. E’ stata fatta un’analisi dettagliata sulla minimizzazione del rumore di fase e sono stati realizzati dei VCO in SiGe operanti in banda K (18-27 GHz). I VCO mostrano un romore di fase che arriva a −137 dBc/Hz a 10 MHz di offset dalla portante. Questo risultato è superiore allo stato dell’arte se confrontiamo con gli altri VCO operanti in banda K e realizzati in Silicio. Solo i VCO relizzati con semiconduttori compositi hanno prestazioni migliori in termini di rumore di fase. Ad ogni modo, il costo di queste tecnologie è drammaticamente più alto. In conclusione, il lavoro dimostra la fattibilità di realizzare blocchi circuitali ad alte prestazioni per i sistemi Phased Array in Silicio. La possibilità di integrare l’intero sistema Phased Array sullo stesso chip porta ad una drastica riduzione dei costi, superando la barriera che ha fermato lo sviluppo di questo approccio in molte applicazioni negli anni precedenti. Questo è un punto cruciale per lo sviluppo della prossima generazione di comunicazioni ad alta velocità di dati e sistemi radar ad alta precisione sia militari che automotive.