Micro- and Millimeter Wave CMOS Beamforming Receivers

Abstract: Popular Abstract in Swedish Det tillgängliga frekvensutrymmet i trådlösa kommunikationssystem, så som trådlösa datornätverk, är mycket begränsat. Detta tillsammans med den ökande trafikmängden skapar problem. Nya möjligheter finns dock i och med att det finns stora mängder bandbredd som är licensfri för användning. Ökad bandbredd möjliggör också ökad datahastighet. Det tillgängliga frekvensbandet ligger dock vid betydligt högre frekvens, 60 GHz, än vad som använts i tidigare system för privat bruk. Detta medför nya utmaningar, dels ur systemperspektiv men även ur kretsperspektiv. Hand i hand med utmaningar medföljer även helt nya möjligheter, så som möjligheten att överföra mycket stora mängder data på kort tid mellan datorn och dess kringutrustning, överföring av HD-video från/till smartphone, eliminera kablar mellan videokälla och projektor, etc. Vågutbredning vid 60 GHz skiljer sig ifrån dagens trådlösa nätverk system som arbetar kring 2.4 och 5.8 GHz. Det mest påtagliga är utbredningsdämpningen, vilken begränsar möjligt avstånd mellan sändare och mottagare. Utbredningsegenskaper som påverkas är; hur radiovågen viker sig runt föremål, styrka hos reflexioner, samt dess propageringsegenskaper genom olika material. Teknologin som används för integrerade kretsar i massmarknadssegmentet domineras klart av CMOS, då denna teknologi erbjuder låga produktionskostnader vid höga volymer. Att implementera höghastighetskommunikation vid 60 GHz i CMOS ansågs för inte länge sedan omöjligt. Dock har utvecklingen av teknologin fullständigt stormat fram vilket har lett till otroliga prestandaökningar. En stor del av prestanda förbättringen beror på att transistorn görs mindre. Processortillverkare planerar att tillverka nästa generations processorer i 22nm CMOS. Detta är positiva nyheter för konstruktörer av högfrekvenskretsar, eftersom ännu snabbare transistorer kan förväntas. Det uppstår dock även en del svårigheter med mindre transistorer. Då transistorns storlek krymps ökar det elektriska fältet i komponenten, om samma matningsspänning används. Detta resulterar i att komponenten snart går sönder. Med sänkt matningsspänning ökar livslängden, men samtidigt reduceras möjlig uteffekt från sändaren. Mindre uteffekt tillsammans med ökade transmissionsförluster vid 60 GHz gör situationen problematisk – Hur skall mottagaren kunna detektera signalen? Att implementera flera mottagare som arbetar tillsammans ökar mängden signal som tas emot. Vid 60 GHz har antenndimensionen reducerats till storleksordningen 1mm, då storleken är omvänt proportionell mot frekvensen. Ökad frekvens medför alltså en mindre antenn, vilket gör det möjligt att implementera flera 60 GHz antenner utan att lösningen blir otymplig. Det krävs dock att mottagaren kan kombinera dessa signaler på ett gynnsamt vis. Detta görs genom att förskjuta de inkommande signalerna i tiden så att signalerna adderas ”på varandra”. Den önskade tidsförskjutningen mellan antennerna beror av signalens inkommande vinkel. Alltså, beroende på var i rummet signalen sänds, relativt mottagaren, kommer signalerna till vart antennelement att behöva fördröjas olika, vilket kallas beamforming. Intressant att notera är att signaler från andra riktningar kommer att adderas destruktivt, vilket dämpar oönskade signaler. Då tidsfördröjande kretsar är praktiskt svåra att implementera används sambandet att en tidsfördröjning kan liknas med en fasförskjutning, vilket lättare låter sig göras. Avhandlingen behandlar kretsimplementationer av viktiga delar av beamformingmottagare för 60 GHz i CMOS. I introduktionen ges en sammanfattning av problematiken kring 60 GHz kretsar i CMOS teknologi, olika beamformingtopologier, följt av de inkluderade vetenskapliga artiklarna.

  CLICK HERE TO DOWNLOAD THE WHOLE DISSERTATION. (in PDF format)