Analisi e Progettazione di Circuiti Integrati a Radio Frequenze per Sistemi di Comunicazione 5G

The use of silicon technologies to implement millimeter-wave integrated systems is becoming a widespread reality, as innovative applications for wireless communication and remote sensing are being developed. In this context, the design of low-noise, low-power voltage-controlled oscillators (VCOs) and high 1dB compression point, high gain and high power added efficiency power amplifiers (PAs) are a challenging and crucial task. As the performance of the VCO and PA can be the bottleneck of the performance of the entire system, limiting for example the achievable error vector magnitude (EVM) of a wireless link, or the target detection capability of a radar. The focus of this thesis spans from analysis and design of these building blocks. A 17GHz Push-Pull class-C voltage-controlled oscillator used as a local oscillator for mm-wave applications has been proposed as a topology capable of achieving low phase noise while enhancing the current efficiency of the circuit. In this case, a design using only npn transistors of a SiGe BiCMOS technology is discussed. In terms of power amplifier, 28GHz class-J power amplifier for beamforming application has been proposed as a topology capable of achieving the same power added efficiency of the conventional class-AB power amplifier but also with several advantages, to further increase the efficiency at back-off power, the class-J topology and the Doherty architecture can be combined, two different design proposing different approach to achieve the Doherty behaviour are presented in SiGe BiCMOS technology. A design of a sub-6-GHz Doherty power amplifier for basestation application was carried out using a GaN-Si MMIC technology and a laminate output matching network to maximize the power added efficiency.

L’uso di tecnologie al silicio per implementare sistemi integrati alle onde millimetriche sta diventando negli anni una realta’ sempre piu’ importante, grazie alle applicazioni innovative per comunicazioni wireless e di sensing remoto che stanno prendendo piede. In questo contesto, il design di oscillatori controllati in tensione con basso rumore di fase e basso consumo di potenza e amplificatori di potenza con alto punto di compressione, alto guadagno e alta efficienza sono di grande interesse. Le loro performance potrebbero limitare le performance dell’intero sistema, limitando quindi per esempio l’EVM di una connessione wireless o la capacita’ di rilevamento di un oggetto tramite radar. Questa tesi avra’ quindi come obiettivo quello di analizzare e progettare questi blocchi circuitali. Verra’ presentato un oscillatore controllato in tensione push-pull in classe C a 17GHz usato come oscillatore locale per un convenzionale sistema alle onde millimetriche, grazie a questa topologia sara’ in grado di ottenere un basso rumore di fase migliorando ulteriormente l’efficienza di corrente del circuito. In questo caso, il design prevede l’utilizzo di soli transistor npn della tecnologia SiGe BiCMOS. Successivamente verranno presentati due design di amplificatori di potenza in classe J a 28GHz per beamforming, topologia in grado di ottenere le stesse performance in termini di efficienza di un convenzionale amplificatore in classe AB ma con diversi vantaggi, inoltre, per incrementare ulteriormente l’efficienza in back-off, il funzionamento in classe J e’ stato combinato con l’architettura Doherty. In conclusione, un ultimo design di un amplificatore di potenza Doherty a 3.5GHz per applicazioni basestation verra’ presentato. In questo caso con un design fortemente orientato al prodotto, utilizzando una diversa tecnologia al GaN-Si dati i target molto stringenti in termini di potenza di uscita ed efficienza, utilizzando reti di matching di uscita su laminato con componenti SMD per massimizzare le performance.