Co-ontwerp van Mm-golf interface, duplexers en CMOS zenders

De visie voor zowel de 5de generatie mobiele communicatie systemen (5G) en het internet van dingen (IoT) gaat steeds verder in de richting van de finale uitvoering. Deze nieuwe toepassingen vereisen enorme dataverbindingen met een kleine vertraging tussen zowel de gebruikers als verschillende netwerken. Het beschikbare spectrum op de lagere GHz frequenties begint stilaan op te geraken en dit kan niet voldoen aan de vereisten voor draadloze en bedrade verbindingen. Millimeter- golf (mm-golf) technologie wordt algemeen beschouwd als de sleutel technology die aan de steeds groter wordende vraag naar draadloze capaciteit door de consument zal voldoen. Ondertussen kan de geavanceerde CMOS technologie gebruikt worden in mm-golf banden. Dit staat toe tot de ontwikkeling van volledig geïntegreerde zender-ontvanger in een hoge opbrengst technologie aan lage kosten. Het ontwerp van mm-golf systemen in geavanceerde CMOS technologie brengt echter nog veel uitdagingen met zich mee zowel op apparaat als op architectuur niveau. Daar bovenop blijven de algemeene uitdagingen, zoals een lage actieve versterking, lage voeding en hoge parasitaire verliezen en het gedistribueerde effect omwille van de kleine golflengtes op mm-golf. De dimensies van op-chip passieve componenten worden vergelijkbaar met de golflengtes op hogere frequenties en hierdoor begint microgolf theorie het koppeling ontwerp te domineren. Nog belangrijker is de extensie van het achterste einde van de lijn (BEOL), de interface tussen het geïntegreerde circuit en de achterliggende passieve componenten zijn cruciaal voor de algemene performantie van het systeem. In de huidige ontwerp methodologie wordt echter een lijn getrokken tussen op-chip en uit-chip module ontwerpen. Wanneer deze apart worden ontworpen kan het optimale ontwerp enkel worden gehaald op blokniveau. Echter op mm-golf  worden de interacties tussen de op-chip en uit-chip elementen zo sterk dat de scheiding tussen beide stilaan vervaagd met verhoogde frequentie. Omwille van het gedistribueerde effect op beide kan superieure systeem performantie behaald worden als co-ontwerp wordt toegepast met de hulp van microgolf theory. In dit werk was het hoofddoel om te innoveren op de co-ontwerp methodologie tussen mm-golf CMOS bouwblokken en de RF interfaces zodat een beter systeem performantie, hogere integratie en lagere kost kon worden gedemonstreerd in vergelijking met traditionele architecturen. De klassieke circuit en veld theorieën worden herbekeken, welke samen met transmissielijn theorie, de theoretische funderingen vormen voor de co-ontwerpmethodologie. Typische transmissielijn formaten zullen worden bekeken in detail, gevolgd door de fundamenten van impedantie koppeling technieken. Deze zullen extensief worden toegepast op mm-golf ontwerpen op verschillende frequenties. Gebaseerd op de specifieke applicatie benodigdheden zullen, details van de ontwerp overwegingen, het voorgestelde ontwerp, simulatie en meet resultaten, worden voorgesteld. De ontwerpen voorbeelden zijn de volgende: a) Een E-band verpakkingsoplossing gebaseerd op bonddraden en flip-chip interconnecties. Met gebruik van alle standaard componenten en fabricaties processen wordt een robuuste breedbandige interconnectie van RF GSG-bondpad naar WR-12 golfgeleider interconnectie gedemonstreerd. b) A 28 GHz fase-opstelling ontwerp in 40nm CMOS. De ontworpen fase-opstelling bestaat uit een lineaire vermogen versterker, een 5-bit passieve faseverschuiver en een 4-bij-4 gat gekoppelde lap antenne opstelling. c) Verpakking en duplex ontwerp op 120 GHz voor hoge snelheid communicatie doorheen diëlektrische golfgeleiders. De eerste reële tijd 10+10 Gbps duplex communicatie wordt gedemonstreerd in meeting. d) Het ontwerp van een complete diëlektrische golfgeleider link op 140GHz. Een automatisch compensatie lus is voorgesteld en bewezen met metingen. De ontworpen link ondersteund 4FSK modulatie, duplex functionaliteiten en verbeterde robuustheid tegen PVT variaties.