Design of phase shifters based on new architectures for mm-wave applications : 5G/6G & automotive radar.
Conception de déphaseurs innovants pour des applications en bande millimétrique : 5G/6G et radars automobiles.
Résumé
Phase shifters have become very important since the advent of phased arrays, which control the orientation (beam-steering) and/or shape (beamforming) of radio beams. They are essential for many circuits and domains of application today, in millimeter bands with the advent of 5G, or 6G that will likely be deployed during the next decade, as well as automotive radars and medical applications. In the literature, there are two categories of phase shifters: active phase shifters and passive phase shifters. The first ones are based on vector modulation approach, which by using VGA (Variable Gain Amplifier) allows a very good control of amplitude and phase. Even if the use of active circuits allows designing circuits with a reduced footprint, those suffer from a non-negligeable DC consumption and linearity issues. The latter allows to solve the problems of DC consumption and linearity due to a passive approach. Hence the interest for passive phase shift in this thesis. On the other hand, the current main challenges for these architectures, which are the main objectives of this manuscript, are the insertion loss and the realization of a continuous phase shift in the 0 - 360° range.Passive phase shifters are also divided into two groups, digital phase shifters and continuous phase shifters. The Digital approaches have the advantage of a better figure of merit (which is defined as the ratio between the maximum phase shift synthesizable by the phase shifter over the worst-case insertion loss) due to the use of switches while continuous approaches suffer from degradation of the quality factor of the varactors in millimeter bands. On the other hand, digital phase shifters do not allow a continuous phase adjustment (difficulties to make phase shifters of more than 5 bits, resolution of 11.25°), hence the need for a continuous phase shifter. In this context, the idea of a hybrid phase shifter combining digital and continuous blocks to achieve a continuous phase shift from 0 to 360° at 120 GHz has been implemented in B55 technology from STMicroelectronics.The 22.5°, 45°, 90° and 180° digital blocks are individually realized to be assembled with a continuous block to perform the hybrid phase shifter. Thus, the assembly of a line in parallel with a MOS for a phase shift of 22,5°, the switched filter based on MOS of 45°, a discrete 2-bit Reflection-Type Phase Shifter (RTPS) based on PIN diode allowing to have phase shifts of 90°, 180° and 270° and a continuous RTPS with a range of 35° has been implemented. The measurement results show a continuous phase shift from 0 to 360° at 120 GHz with insertion losses ranging from 8.7 dB to 15.5 dB. To improve these insertion losses, the 2-bit RTPS is replaced by two digital PIN diode-based RTPS giving respectively 90° and 180° phase shifts. Then, the 45° switched filter is replaced by a 45° digital RTPS based on PIN diode. By keeping the other blocks, the simulations show an improvement with insertion losses between 8.2 dB and 10.9 dB. Finally, a change in the load of the continuous RTPS to reduce the variation of amplitude shows losses between 8.4 dB and 10.3 dB, a figure of merit ������= 35°/����.
Les déphaseurs ont pris une grande importance depuis l’avènement des réseaux phasés, qui permettent de contrôler l’orientation (Beam-steering) et/ou la forme (Beamforming) des faisceaux. Ils sont incontournables dans de nombreux circuits et domaines aujourd’hui, en bandes millimétriques avec l’avènement de la 5G, ou la 6G qui sera probablement déployée au cours de la prochaine décennie, ainsi que des radars automobiles et des applications médicales. Dans la littérature, il existe deux catégories de déphaseurs : les déphaseurs actifs et les déphaseurs passifs. Les premiers sont basés sur une approche de modulation vectorielle, qui en utilisant des VGA (Variable Gain Amplifier) permet un très bon contrôle de l’amplitude et de la phase. Même si l’utilisation de circuits actifs permet de concevoir des circuits compacts, ceux-ci souffrent d’une consommation DC non négligeable et de problèmes de linéarité. Les seconds permettent de résoudre les problèmes de consommation DC et de linéarité grâce à une approche passive. D’où l’intérêt pour les déphaseurs passifs dans cette thèse. Pour la suite, les pertes d’insertions et la réalisation d’un déphasage continu sur la plage 0 - 360° représentent les défis majeurs dont des solutions sont présentés dans le manuscrit pour des applications aux fréquences millimétriques.Les déphaseurs passifs sont à leur tour divisés en deux groupes, à savoir les déphaseurs discrets et les déphaseurs continus. Les approches numériques ont l’avantage d’une meilleure figure de mérite (qui est définie comme le rapport entre le déphasage et les pertes d’insertion maximum) en raison de l’utilisation de switches, alors que les approches continues souffrent de la dégradation du facteur de qualité des varactors en bandes millimétriques. De l’autre côté, les déphaseurs discrets ne permettent pas de réaliser un balayage continu (difficultés à réaliser des déphaseurs de plus de 5 bits, soit une résolution de 11,25°), d’où la nécessité d’un déphaseur continu. Dans ce contexte, l’idée d’un déphaseur hybride associant des blocs discrets et continus pour réaliser un déphasage continu de 0 à 360° à 120 GHz a été mis en place en technologie B55 de STMicroelectronics.Les blocs discrets 22,5°, 45°, 90° et 180° sont réalisés individuellement pour être assemblés avec un bloc continu pour réaliser le déphaseur hybride. Ainsi, l’assemblage d’une ligne en parallèle avec un MOS pour un déphasage de 22,5°, le filtre commuté à base de MOS de 45°, un RTPS discret 2 bits à base de diode PIN permettant d’avoir des déphasages de 90°, 180° et 270° ainsi qu’un RTPS continu d’une plage de 35° permet de réaliser un déphasage continu de 0 à 360° à 120 GHz avec des pertes d’insertion allant de 8,7 dB à 15,5 dB. Dans le but d’améliorer ces pertes d’insertion, le RTPS 2 bits est remplacé par deux RTPS discrets à base de diode PIN donnant respectivement des déphasages de 90° et 180°. Puis, le filtre commuté 45° est remplacé par un RTPS discret 45° à base de diode PIN. En gardant les autres blocs, les simulations montrent une amélioration avec des pertes d’insertion entre 8,2 dB et 10,9 dB. Pour finir une modification au niveau de la charge du RTPS continu pour réduire la variation d’amplitude donne des pertes entre 8,4 dB et 10,3 dB, soit une figure de mérite ������= 35 °/����.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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