Design of a 10.6 GHz steerable phased array transmitter based on a LO phase shifting architecture

With the advent of new communication standards, new techniques like high-order QAM and MIMO have been developed to increase the transmission data rate and reliability, and to reduce the power consumption, requiring very low phase noise frequency synthesizers and high resolution linear beamforming performances. In this perspective, an electronicselectromagnetic co-design of a 10.6 GHz transmitting system is proposed. This system is an eight elements phased array transmitter based on a new LO phase shifting architecture in which eight parallel PLLs, one per channel, are used for the mixing with the intermediate frequency signal, and the phase shifting is performed directly within the frequency synthesizers. The chips are designed in 28 nm CMOS bulk TSMC technology. An arbitrary phase shift between the LO outputs can be set over the 360° range with a resolution of 19 bits. This architecture permits a reduction by a factor N, where N is the number of phased array elements, of the phase noise power spectral density at the receiver thanks to over-the-air power combining of uncorrelated noise sources. The array is made of a 4 × 2 planar matrix of aperture coupled patch antennas, that reaches a larger fractional bandwidth with respect to an array of direct-feed microstrip patch antennas. The electronics and the antennas are designed on the same four layers PCB substrate. The electromagnetic characterization is performed with Altair Feko and Ansys HFSS, while the electronics was simulated using Cadence Virtuoso. The system achieves 14.7 dBm maximum output power at 10 GHz with a bandwidth of 1.2 GHz, from 10 to 11.2 GHz. A receiver measuring system is also simulated to study the noise performances: the phase noise with respect to the carrier power is reduced by 3 dB with two active radiating elements in comparison to a single active radiating element.

Negli ultimi due decenni, con la nascita di nuovi protocolli di comunicazione, sono state sviluppate tecniche innovative, tra cui modulazioni QAM di ordine elevato e architetture MIMO, allo scopo di aumentare la velocità di trasmissione dei dati e l'a dabilità, e per ridurre il consumo di potenza. Questo ha portato alla necessità di avere sintetizzatori di frequenza con rumore di fase sempre più basso e prestazioni di beamforming lineari e ad alta risoluzione. In quest'ottica è stato proposto un sistema trasmittente a 10.6 GHz in cui l'elettronica e le antenne sono state progettate congiuntamente. Il sistema è un trasmettitore con phased array a otto elementi basato su una tecnica innovativa di LO phase shifting, in cui vengono utilizzati 8 PLL in parallelo per la moltiplicazione con il segnale a frequenza intermedia, uno per ogni canale, e lo sfasamento viene applicato direttamente all'interno dei sintetizzatori di frequenza. I chip sono stati progettati in tecnologia CMOS bulk a 28 nm di TSMC. Uno sfasamento arbitrario da 0° a 360° può essere ssato tra le uscite degli oscillatori locali con una risoluzione di 19 bit. Uno dei principali vantaggi di quest'architettura è la riduzione di un fattore N (dove N è il numero di elementi dell'array) della densità spettrale del rumore di fase al ricevitore, grazie alla combinazione in aria di sorgenti di rumore incorrelate. L'array è composto da una matrice planare di 4 × 2 elementi di aperture coupled patch antennas, che sono in grado di ottenere una larghezza di banda frazionaria più elevata rispetto alle classiche antenne a microstriscia. L'elettronica e le antenne sono state progettate sullo stesso substrato di PCB a quattro strati. La caratterizzazione elettromagnetica è stata e ettuata utilizzando Altair Feko e Ansys HFSS, mentre per le simulazioni elettroniche è stato utilizzato Cadence Virtuoso. I risultati mostrano che il sistema è in grado di raggiungere una potenza massima di uscita pari a 14.7 dBm a 10 GHz, con una banda di 1.2 GHz, da 10 a 11.2 GHz. Un sistema ricevente di misura è stato simulato per analizzare le prestazioni di rumore: il rumore di fase rispetto alla portante si riduce di 3 dB al ricevitore quando due elementi radianti sono attivi rispetto al caso di un singolo elemento radiante attivo.