Characterization of a 14 GHz PLL-based LO phase shifter for integrated phased arrays

Fifth-generation communication standards require carrier frequencies from 20 GHz up to 90 GHz in order to guarantee very high transmission data rates. The main issue of transmitting at those frequencies of the electromagnetic spectrum is related to the large in-air attenuation of the signal power. A proposed solution consists in the employment of phased-array systems composed of many antennas which, by leveraging the constructive interference of the signals radiated by the antennas, would allow to achieve low power consumption and to efficiently exploit the electromagnetic spectrum. In order to get the system to work properly and achieve performance comparable to the state of the art, it is extremely important to ensure that several requirements are fulfilled, for instance in terms of oscillators phase noise and phase delay resolution of the signals feeding the antennas. In this thesis an overview of the main phase shifting techniques employed in the last works will be firstly presented. Then it will be shown that, by exploiting low power and low area fractional digital PLLs, it is possible to perform an LO-based phase shifting technique achieving beyond-state-of-the-art phase tuning resolution. Such a system has been implemented and some measurements have been performed. Some of those measurements have shown some discrepancies from the expected results. The goal of this thesis is to present and analyze those discrepancies in depth and justify them.

Gli standard di comunicazione di quinta generazione prevedono l'utilizzo di portanti con frequenze comprese tra i 20 GHz ed i 90 GHz per garantire elevate velocità di trasmissione dei dati. Il problema principale nell'operare in queste bande dello spettro elettromagnetico è legato alle elevate attenuazioni in aria. Uno dei metodi proposti per evitare questo problema consiste nell'utilizzare sistemi di phased-array costituiti da più antenne, i quali, sfruttando l'interferenza costruttiva di segnali sfasati sulle diverse antenne, permetterebbero di mantenere un basso consumo di potenza e di sfruttare in maniera estremamente efficiente lo spettro elettromagnetico. Per garantire un corretto funzionamento del sistema ed ottenere prestazioni paragonabili con lo stato dell'arte, risulta quindi particolarmente importante garantire numerosi requisiti in termini ad esempio di rumore di fase degli oscillatori e di risoluzione della fase dei segnali che pilotano le antenne del phased-array. In questa tesi verrà inizialmente presentata una panoramica delle principali tecniche di phase shifting utilizzate nei lavori più recenti. Verrà poi mostrato come, tramite l'utilizzo di PLL digitali frazionari a basso consumo di potenza e bassa occupazione di area, sia possibile utilizzare una tecnica di phase shifting basata sul LO Phase Shifting che permette di ottenere risoluzioni di fase oltre lo stato dell'arte. Un sistema di questo tipo è stato implementato ed è stato sottoposto a sessioni di misura durante le quali sono state osservate delle discrepanze tra valori attesi e misurati. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di andare ad indagare su queste discrepanze dandone una giustificazione.