Contribution to the development of sub-harmonic mixer above 200 GHz on silicon targeting high data rate applications
Contribution au développement de mélangeur sous-harmonique au-delà de 200 GHz sur silicium visant des applications haut-débit
Résumé
Nowadays, the number of connected electronic devices is facing an exponential growth which is driven by the never-ending demand of users for more mobility, resulting in an increase of global mobile data traffic. In this logic, the improvement of wireless connectivity is crucial to support the forecasted data rate required for emerging applications. Therefore, the IEEE 802.15.3d standard has defined a continuous frequency band between 252-321 GHz to support the future 6G technology, achieving high-data rate transmission in a power-efficient way by using low-complexity modulations. Concerning the literature, above 200 GHz most receiver architectures are based on III-V Schottky diode Sub-Harmonic Mixers (SHMs), thanks to outstanding electrical performances. However, these solutions are pricy, going in contradiction with required mass-deployment of future 6G technology. Therefore, in this thesis we evaluate silicon (Si) based BiCMOS and innovative packaging technologies to enable cost-effective Si-based Schottky diode SHM solutions at 268 GHz. Simulated diode conversion loss of ~11.7 dB and passive circuit losses of ~5.1 dB (low resistivity silicon substrate) have been achieved by following an innovative hybrid packaging solution with organic substrate and metallic split-block module, showing promising perspectives to enable cost-effective SHM alternatives. In a practical case, a real-time wireless links of 15 Gb/s using OOK modulation and 30 Gb/s using PAM-4 could be achieved with the proposed circuit.
Aujourd'hui, le nombre d'appareils électroniques connectés fait face à une croissance exponentiel motivé par la demande constante d'utilisateurs pour plus de mobilité, donnant lieu à une croissance du trafic de débit de données global. C'est pourquoi l'amélioration de la connectivité sans-fils est cruciale pour appuyer les débits de donnés nécessaires pour les applications émergentes. En conséquence, le standard IEEE 802.15.3d a fixé une bande continue entre 253-321 GHz pour supporter la future technologie 6G, en attendant des transmissions de débits de donnés élevés à faible consommation par l'utilisation de modulations peu complexes. Par rapport à l'état de l'art, les architectures de réception préférées au-delà de 200 GHz sont basées sur des mélangeurs sous-harmoniques (SHMs) à diode Schottky en technologie III-V grâce aux bonnes performances électriques. Cependant, ces solutions sont couteuses, en rendant difficile le déploiement massif requis pour la technologie 6G. En conséquence, dans cette thèse la technologie silicium et la mise en boitier associée est évaluée afin de proposer des SHMs à diode Schottky en technologie Silicium à 268 GHz. Des pertes de conversion de ~ 11.7 dB et pertes de circuit passif de ~5.1 dB (substrat silicium à faible résistivité) ont été achevés en simulation sur une mise en boitier hybride en utilisant du substrat organique intégré dans un module split-block métallique. Ces résultats donnent des bonnes perspectives pour proposer des alternatives peu couteuses aux SHMs conventionnels. Dans un cas pratique, une liaison sans fils de 15Gb/s utilisant modulation OOK et 30 Gb/s utilisant PAM-4 peuvent être atteints avec le circuit développé.
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