Front-End Architectures in Millimeter-Wave Systems: From Analogue to Digital Concepts

Luy, J.-F.; Müller, Thomas

doi:10.1109/euma.1999.338362

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“…The key components of a digital RF bandpass sampling receiver are the anti-aliasing filter, the clocked sample and hold circuit and the comparator or ADC itself [35]. The concept relies on the bandpass limited subsampling approach.…”

Section: A 24 Ghz Sampling Circuitmentioning

confidence: 99%

Software Configurable Receivers

Luy

2002

32nd European Microwave Conference, 2002

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Heterodyne and Direct Conversion Homodyne receivers have been studiedfor a long time. It can be shown that the classical advantages as high sensitivity and high selectivity can not be transferred easiliy to the requirements arising from software configurable systems. Already for a dualfrequency receiver the Direct Conversion approach has a clear cost advantage. However, these types ofreceivers require significant effortsfor the correction ofstatic and dynamic errors which in practical cases very often reduce sensitivity and flexibility. Sixport non-mixcing direct conversion architectures may be a multiple alternative to the aformentioned structures: The rectifying process can be very broadband and therefore multi-band capable and the front-end provides a low cost potential. Re-configurable receivers with direct RF sampling can provide multimode, multirate and multiband functions in a single hardware platform. The current bottleneck in the direct digitizing receivers is the analog to digital converter. With currently available analog to digital converters bandpass limited sub-sampling in the carrier frequency range of up to I GHz is possible. The concept of bandpass limited subsampling became recently a very suited architecture approach as the increasing cut-off frequency and speed of semiconductor technologies can be traded against resolution in this concept. Direct digital receiversfor broadcast standards becomefeasible. At still higherfrequencies new analog to digital converter architectures have to be investigated. The specific design of the hardware architecture becomes more and more a compromise between the specifications of the services to be handled by the receiver and the availability of components.Services and standards which rely on a spread spectrum modulation are especially suitedfor direct digital receivers, as the inherent correlation gain, which is achieved in spread spectrum receivers, lowers the requirements with respect to receiver dynamics. The high speed building blocks of a millimeter wave direct digital receiver are composed by low-pass or band-pass filters, the sampling and analogue to digital converter circuits and the decimatorfunctions which convert the high speed sampling rates into lower rates and higher resolution, respectively. The RFfi lters must reduce outof-band spurious harmonics -which can be generated by nearby systems or internal non-linearities -andprovide small in-band transmission losses. Three dimensional micromachined structures can provide high quality factors and low insertion losses at carrier frequencies of 24 GHz. Transimpedance amplifiers for a bandpass limited subsampling approach and limiting amplifiers can be designed and realized in commercial SiGe technology. A sampling head itsself is composed ofa Schottky diode quadruple.

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Section: A 24 Ghz Sampling Circuitmentioning

confidence: 99%

Software Configurable Receivers

Luy

2002

32nd European Microwave Conference, 2002

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“…Die Schlüsselkomponenten eines digitalen bandbegrenzten Hochfrequenzempfängers sind das Anti-Aliasing Filter, der getaktete Sample & Hold-Kreis sowie der Komparator [35]. Dieses Konzept beruht auf dem Ansatz der bandpaßbegrenzten Unterabtastung.…”

Section: Ein Konzept Für Den Millimeterwellenbereichunclassified

Rekonfigurierbare Hochfrequenz-Empfänger

Luy¹

2003

Frequenz

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ÜbersichtDie klassischen Vorteile von Mehrfach-Überlagerungsempfängern wie hohe Empfindlichkeit und hohe Trennschärfe können nicht ohne weiteres auf die Anforderungen abgebildet werden, die sich aus dem Wunsch nach software-konfigurierbaren Systemen ergeben. Bereits für einen Empfänger, der zwei unterschiedliche Frequenzen gleichzeitig verarbeiten kann, ergeben sich Kostenvorteile für den Direktkonversions-Empfänger. Diese Klasse von Empfängern verlangt jedoch einen erheblichen Aufwand zur Korrektur statischer und dynamischer Fehler, was in der Praxis meist zu reduzierter Empfindlichkeit und Flexibilität führt. Eine Alternative dazu können Sechstor-Empfänger sein, bei denen ohne einen eigentlichen Mischprozeß durch mehrfache Gleichrichtung des Signals eine breitbandige Architektur erzielbar ist. Rekonfigurierbare Empfänger mit einer direkten Abtastung des Hochfrequenzsignals können verschiedene Standards, verschiedene Abtastraten und verschiedene Bänder mit einer einzigen Hardware-Plattform bedienen. Der Flaschenhals in derartigen Konzepten ist der Analog-zu-Digital-Wandler. Mit derzeit verfügbaren Wandlern wird eine bandpaßbegrenzte Unterabtastung in dem Trägerfrequenzbereich bis etwa 1 GHz möglich. Dadurch werden digitale Empfänger für den Rundfunk-und Fernsehbereich möglich. Für Frequenzen im Millimeterwellenbereich müssen die einzelnen Bausteine möglicher Wandler untersucht werden. Tiefpaß-oder Bandpaß-Filter, Abtast-und Komparatorschaltungen sind die Schlüsselkomponenten. Die Hochfrequenzfilter müssen Nachbarkanalstörer fernhalten und geringste Durchgangsverluste im Nutzband aufweisen. Dreidimensional mikromechanisch strukturierte Filter können bei Trägerfrequenzen von 24 GHz hohe Güten und geringe Einfügungsdämpfungen erreichen. Impedanzwandler und Verstärker für diesen Frequenzbereich können in kommerzieller SiGe-Technologie entworfen und realisiert werden. Ein erster 24-GHz-Abtaster selbst enthält als Kernstück vier Schottky-Dioden. AbstractThe classical advantages of heterodyne receivers as high sensitivity and high selectivity can not be transferred easiliy to the requirements arising from software configurable systems. Already for a dual-frequency receiver the Direct Conversion approach has a clear cost advantage. However, these types of receivers require significant efforts for the correction of static and dynamic errors which in practical cases very often reduce sensitivity and flexibility. Sixport non-mixing direct conversion architectures may be an alternative. Re-configurable receivers with direct RF sampling can provide multimode, multirate and multiband functions in a single hardware platform. The current bottleneck in the direct digitizing receivers is the analog to digital converter. With currently available analog to digital converters bandpass limited sub-sampling in the carrier frequency range of up to 1 GHz is possible. Direct digital receivers for broadcast standards become feasible. The high speed building blocks of a millimeter wave direct digital receiver are composed by lowpass or ban...

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“…Schlüsselelemente zukünftiger direkt digitalisierender Hochfrequenz-Empfänger [1]. Bandpaßfilter hoher Güte sind z.B.…”

unclassified

“…1 DaimlerChrysler Research Center 2 Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) Koplanare Wellen leitungsstrukturen (coplanar waveguides, CPW) auf hochohmigem Silizium wurden von vielen Autoren als wellenleitende Verbindungsleitungen untersucht [2,3]. 1 DaimlerChrysler Research Center 2 Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) Koplanare Wellen leitungsstrukturen (coplanar waveguides, CPW) auf hochohmigem Silizium wurden von vielen Autoren als wellenleitende Verbindungsleitungen untersucht [2,3].…”

unclassified

Mikrostrukturierte HF-Leitungs- und -Resonatorstrukturen

Strohm¹,

Schmuckle²,

Schauwecker³

et al. 2003

Frequenz

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ÜbersichtMikrostrukturierungstechnologien der Mikrosystemtechnik (MST) oder der MEMS (Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme)-Technologie mit ihren dreidimensionalen Bearbeitungsmöglichkeiten erlauben die Realisierung von Koplanarleitungen mit geringerer Dämpfung. Dies erreicht man durch Wegätzen des Substrats in den Zwischenräumen zwischen der Signal-und den Masseleitungen. Eine Serie von unterschiedlichen Entfernungs-/Ätzverfahren wurde untersucht und durchgeführt und die Ergebnisse mit Standard-Koplanarleitungen ve-glichen. Dieser Artikel beschreibt die Idee und die angewandten CMOS-kompatiblen Mikrostrukturierungs-Prozesse. Die gemessenen, niedrigsten Dämpfungswerte lagen bei 0,081 dB/mm bei 40 GHz für Koplanarleiturgen mit einem Masse-Masse-Abstand von 300 und einer Substratentfernung in den Zwischenräumen der Leitungen bis in eine Tiefe von 60 pm. Dies entspricht einer Verbesserung der Dämpfung um über 20 % gegenüber herkömmlichen Koplanarleitungen. Ebenfalls werden neuartige, monolithische Resonator-Konzepte auf bzw. in hochohmigen Siliziumsubstraten basierend auf dreidimensionaler Mikrostrukturierung untersucht. Zunächst wird ein dreidimensionaler, mit hochohmigem Silizium gefüllter Hohlraumresonator mit einer open-end-Paich-Struktur beschrieben. Die Herstellung erfolgt mit dreidimensionalen Mikrostrukturierungstechnologien. Der mit Silizium gefüllte open-end Patch-Resonator mit einer Dimension von 2,3 mm 1,1 mm 0,25 mm erzielt eine unbelastete Güte um 70 bei 22,0 GHz. Durch Entfernen des Siliziums aus dem Inneren des Resonators (luflgefüllter Resonator) erreicht man eine Erhöhung der Güte auf über 125 bei einer Resonanzfrequenz von 18,77 GHz für diese ersten monolithischen, mit einem Single-Wafer-Prozeß hergestellten Resonator-Prototypen.Abstract: MEMS technology with its three-dimensional (3D) treatment of substrates allows realization of CPWs with lower attenuation. This is achieved by removing the substrate material in the gap between signal and ground metalizations of the CPW transmission lines. A series of different removing/underetching schemes was investigated and processed and compared with common CPW lines. This paper explains the idea as well as the micromachining process steps used. Lowest measured attenuation was 0.081 dB/mm at 40 GHz for CPW lines with ground to ground spacing of 300 and substrate removal of 60 in depth. This corresponds to an improvement in attenuation of more than 20% compared to common CPW lines. Also new monolithic resonator concepts based on three dimensional (3D) high resistivity silicon substrate filled cavity resonators and air-filled resonators are investigated. Fabrication is done using micromachining technologies. The silicon substrate filled open-end patch resonator with a dimension of 2.3 mm 1.1 mm 0.25 mm yields an unloaded Q-Value of 70 at 22.0 GHz. By removing the silicon from the inner of the resonator (air-filled resonator type) an improvement of the unloaded Q with values greater than 125 is achieved.

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Front-End Architectures in Millimeter-Wave Systems: From Analogue to Digital Concepts

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