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Abstrakt in Englisch

This thesis presents the analysis and design of different circuit concepts for the upcoming 5G and 60GHz wireless communications with frequencies ranging from 24 GHz to 70 GHz in K/Ka/V bands. For 60 GHz applications, a comprehensive set of active and passive circuits intended to be integrated into a 60 GHz I-Q system has been analyzed and designed in this thesis. The main research interest here consists in designing switchable circuits, which can be set to low-power standby mode at idle time to save energy. To accomplish the switching function, different switching methods have been discussed in this work. A transistor back-gate based switching method has been proposed to overcome the drawbacks associated with the conventional front-gate based switching. It was the first time that transistor back-gates were utilized for the switching task of mmW circuits. All the active circuits designed in this thesis have successfully demonstrated the back-gate capability in terms of switching by the measurements. The designed two-stage power amplifier exhibits a gain of 23.3 dB, a maximum output power of 13.6 dBm and a maximum power-added-efficiency (PAE) of 28.3%. The presented 60 GHz LNA based on the gain peaking technique achieves a broad bandwidth of 18.5 GHz. Its measured minimum noise figure is 3.3 dB. Thanks to the on-chip local oscillator (LO) driver, the 60 GHz up-conversion and down-conversion mixers presented in this work require the lowest LO power for operation compared to other designs. Two Wilkinson power combiners/dividers based on transmission lines and lumped elements have been designed and compared. The lumped element based version shows less area consumption but similar performance. For I-Q generation, a novel cross-coupled transformer-based quadrature-phase coupler has been analyzed and designed. The applied capacitive cross-coupling improves the coupler coupling coefficient, which is limited by the low magnetic coupling between the transformer windings. The primary focus of designing 5G mmW circuits in this work is investigating the feasibility of dual-band operation in the two 5G mmW band-sets – 28 GHz and 38 GHz. Two 5G dual-band designs have been investigated in this thesis, indicating the high potential of designing dual-band circuits operating in the 5G mmW band. The presented dual-band vector-sum phase shifter provides 360° of phase tuning and a gain of better than 5 dB in both 5G band-sets. A novel phase-compensated RC poly-phase-filter (PPF) has been implemented in this design. The introduced phase compensation technique reduces the effects of layout parasitics, which cause drifts in phase and amplitude responses of the RC PPF. The up-conversion mixer in this work shows its dual-band capability with competitive performance in terms of conversion gain, linearity and energy consumption.

Abstrakt in Deutsch

Diese Arbeit präsentiert die Analyse und das Design verschiedener Schaltungskonzepte für die zukünftige drahtlose 5G- und 60 GHz-Kommunikation bei Frequenzen von 24 GHz bis 70 GHz in K/Ka/V-Bändern. In dieser Arbeit wurden aktive und passive Schaltungen für 60 GHz-Anwendungen analysiert und entworfen, welche in einem I-Q-Transceiver integriert werden. Das Hauptaugenmerk lag darauf, energieeffiziente Schaltkreise zu entwerfen, die im Leerlauf in einen energiesparenden Standby-Modus geschaltet werden können. Dazu wurden verschiedene Methoden untersucht, um die Schaltfunktion zu realisieren. Ein Back-Gate-basiertes Schaltverfahren wurde vorgeschlagen, um die Nachteile des herkömmlichen Front-Gate-basierten Schaltverfahrens zu beseitigen. Zum ersten Mal wurde das Transistor Back-Gate zum Schalten von mmW-Schaltungen verwendet. Die in dieser Arbeit entworfenen aktiven Schaltungen konnten durch Messungen erfolgreich das Back-Gate-basierte Umschalten demonstrieren. Der entworfene zweistufige Leistungsverstärker weist eine Verstärkung von 23,3 dB, eine maximale Ausgangsleistung von 13,6 dBm und einen maximalen PAE von 28,3% auf. Der vorgestellte 60 GHz LNA, bei dem die Gain-Peaking-Technik zum Einsatz kommt, erreicht eine hohe Bandbreite von 18,5 GHz. Die gemessene minimale Rauschzahl beträgt 3,3 dB. Dank des vollintegrierten LO-Treibers benötigen die in dieser Arbeit vorgestellten 60 GHz Aufwärts- und Abwärtsmischer im Vergleich zu anderen Designs die geringste LO-Leistung. Zwei Wilkinson-Leistungskombinierer/-teiler auf der Basis von Transmissionlines und diskreten Elementen wurden entworfen und verglichen. Bei vergleichbarer Performance hat die Version, welche auf diskreten Elementen basiert, einen geringeren Flächenverbrauch. Für die I-Q-Erzeugung wurde ein neuartiger kreuzgekoppelter Transformator-basierter Quadratur-Phasen-Koppler analysiert und entworfen. Die angewandte kapazitive Kreuzkopplung verbessert den Kopplungskoeffizienten des Kopplers, der durch die geringe magnetische Kopplung zwischen den Transformatorwicklungen begrenzt ist. Der Schwerpunkt beim Entwurf von 5G-mmW-Schaltungen in dieser Arbeit ist die Untersuchung der Machbarkeit des Dualbandbetriebs in den beiden 5G-mmW-Bändern – 28 GHz und 38 GHz. In dieser Arbeit werden zwei 5G-Dual-Band-Schaltungen untersucht, die das große Potenzial des Entwurfs von Dual-Band-Schaltungen für die 5G mmW-Bänder aufzeigen. Der vorgestellte Dual-Band-Vektor-Sum-Phasenschieber bietet eine Phasenverschiebung von 360° und eine Verstärkung von mehr als 5 dB in beiden 5G-Bändern. In diesem Entwurf wurde ein neuartiger phasenkompensierter RC-Polyphasenfilter implementiert. Die eingeführte Phasenkompensationstechnik reduziert die Auswirkungen parasitärer Effekte durch das Layout, welche Abweichungen im Phasen- und Amplitudenverhalten des RC-Polyphasenfilters verursachen. Der in dieser Arbeit vorgestellte Dual-Band-Aufwärtsmischer ist im Bezug auf Leistung, Mischgewinn, Linearität und Energieverbrauch auf dem Stand der Technik.