Monolithic Integrated Phase Shifters for Electronic Beamforming in the High Millimeterwave Frequency Range
Final Report Abstract
Durch die Erstellung präziser Probe-Modelle ist es möglich, den Einfluss der Probe auf die Leistungsfähigkeit von Phasenschiebern simulativ zu untersuchen und bisher nicht nachvollziehbare Effekte bei den On-Wafer Messungen zu analysieren. Weiterhin können nun die durch Übersprechen der Probe verzerrten Messergebnisse beispielhaft für einen diskreten 180° Phasenschieber durch Anwendung eines Two-Tier Kalibrationsverfahrens und EM Simulationen erfolgreich korrigiert werden. Hinsichtlich der Miniaturisierung von Phasenschiebern werden insbesondere durch Verwendung aktiver Schalter in diskreten Phasenschiebern und durch kompakte Leitungsführung bei RTPS klare Fortschritte erzielt. Die Realisierung eines 2-bit Phasenschiebers erreicht eine 3 dB Bandbreite von 44 GHz mit RMS Amplituden- und Phasenfehlern kleiner als 0,18 dB und 4°. Der Vergleich in Tabelle 1 zeigt klar, dass durch die Verwendung von aktiven Schaltern, die bei Phasenschieber üblichen Verluste erfolgreich ausgeglichen werden und gleichzeitig eine sehr gute Performance hinsichtlich RMS Fehlern erreicht wird. Falls eine feinere Phaseneinstellung benötigt wird kann der 2-bit Phasenschieber als Vorstufe für analoge Phasenschieber mit 90° Phasensteuerbereich eingesetzt werden. Für die Anwendung in Mehrkanal-Phasenschiebern erweisen sich Phasenschieber auf Basis von Vektormodulatoren aufgrund der hohen Anzahl an benötigten Steuerspannungen und der damit verbundenen komplexen Ansteuerung als ungeeignet. RTPS hingegen erweisen sich aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer simplen Ansteuerung als geeignet. Abhängig von den zur Verfügung stehenden Varaktoren sind RTPS hinsichtlich Bandbreite und Phasensteuerbereich beschränkt. Allerdings kann insbesondere durch die im Projekt entwickelte Methode zum optimierten Design von RTPS gezeigt werden, dass die erzielten Ergebnisse hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit vergleichbar mit Vektormodulatoren sind und dabei zusätzlich einen wesentlich geringeren Ansteuerungsaufwand aufweisen. In Verbindung mit aktiven Leistungsteilern und Zwischenverstärkern zur Verminderung der Verluste wurde somit auf Basis von RTPS erfolgreich ein 4-Kanal MMIC mit 360° Phasensteuerbereich und RMS Fehlern geringer als 1 dB und 8° im Frequenzbereich 250 – 280 GHz realisiert. Der Vergleich zu anderen veröffentlichten Phasenschieber MMICs ist in Tabelle 1 zusammengefasst. Zu erkennen ist, dass bei der Umsetzung von Mehrkanal Arrays die BiCMOS Technologie ihre potentielle höhere Integrierbarkeit nicht umsetzen kann und bei vergleichbarer HF Performance ein Vielfaches der DC Leistungsaufnahme erzeugt. Die dadurch erreichte Effizienz ist ein klarer Vorteil der verwendeten InGaAs Technologie.
Publications
- “A 200 - 300 GHz 1:2 Active power divider MMIC”, in Proc. 42nd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Cancun, Aug. 2017
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D. Müller, J. Schaefer, H. Massler, M. Ohlrogge, T. Zwick, I. Kallfass
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D. Müller
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