Analyse et conception d'une architecture de déphaseur actif innovante, implémentée en technologie BiCMOS SiGe 0,13 µm, pour la formation de faisceau dans les applications 5G

Analysis and design of an innovative 19.5 GHz active phase-shifter architecture, implemented in a 0.13 μm BiCMOS SiGe process, for beamforming in 5G applications

• Auteur / Autrice : Nuraddeen Ado Muhammad
• Direction : David Cordeau, Jean-Marie Paillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, microélectronique et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 15/03/2024
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique, matériaux, mécanique, énergétique, Poitiers
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Valérie Vigneras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Rivet, Philippe Descamps

Mots clés

Mots clés contrôlés

BiCMOS

Antennes-réseaux à commande de phase

Micro-ondes

Circuits intégrés monolithiques hyperfréquence

5G (téléphonie mobile)

Mots clés libres

Déphaseur actif

5g

OCT verrouillé par injection

Sélecteur de phase

Sélecteur de signe

Filtre polyphase

Formation de faisceaux

Active phase shifter

5g

Injection locked VCO

Phase selector

Sign selector

Polyphase filter

Beamforming

Résumé

Pour différentes raisons, la 5G domine actuellement l'actualité technologique. Les capacités de la 5G en termes de largeur de bande et de temps réel constitues un énorme potentiel sociétal en permettant pléthore d'applications nouvelles et inattendues. En effet, la bande de fréquence des ondes millimétriques se caractérise par une largeur de bande disponible qui peut prendre en charge des systèmes sans fil à haut débit pour les futurs systèmes de radiocommunication, y compris les systèmes cellulaires de cinquième génération et au-delà. Les fréquences d'exploitation des ondes millimétriques nécessitent généralement une plus grande ouverture d'antenne pour améliorer le bilan de liaison. Ces antennes se présentent généralement sous la forme de réseaux phasés, permettant la formation de faisceaux. Dans ce contexte, ce travail présente la conception et la mise en œuvre d'un déphaseur actif à 19,5 GHz pour la formation de faisceaux. Le circuit proposé est basé sur une architecture originale utilisant un oscillateur commandé en tension verrouillé par injection (ILVCO en Anglais) associé à un filtre polyphase suivi d'un circuit de sélection de phase et de son signe. La phase souhaitée dans la plage de ± 45° est synthétisée avec le circuit proposé en modifiant la tension de commande Vcntr de l’ILVCO pour un réglage fin et en modifiant les deux signaux de commandes du sélecteur de phase et de signe (S0, S2) pour un réglage grossier, ce qui engendre une variation de phase linéaire de 360°. D'après les résultats de la simulation post-layout, la plage de réglage de la fréquence d’oscillation libre du VCO varie de 17,89 GHz à 20,16 GHz. En outre, avec une puissance injectée de -8,5 dBm et une fréquence de 19,5 GHz, le déphaseur proposé consomme 20,47 mA sous une tension d'alimentation de 1,3 V. De plus, la puissance de sortie moyenne sur 50 Ω est de -15,58 dBm. Le circuit complet a une taille de 1,58 mm2, y compris les pads, et il est intégré sur un process BiCMOS SiGe:C 0,13 μm. Enfin, les résultats obtenus montrent que le déphaseur actif proposé s’avère un candidat potentiel pour les systèmes à réseau phasé utilisés pour la formation de faisceaux dans les applications 5G.

For good reasons, 5G dominates technological news. The high-bandwidth and real-time capabilities of 5G have huge societal potential by enabling a plethora of new and unanticipated application cases. Indeed, the millimeter-wave frequency band is characterized by an available bandwidth that can support high-speed wireless systems for future radio communications systems, including 5th Generation cellular systems and beyond. The frequencies of operation at mm-wave generally requires larger antenna aperture to improve the channel budget at useful distances. These antennas are usually in the form of phased arrays, allowing beamforming to be performed. This work presents the design and implementation of a 19.5 GHz active phase shifter for beamforming in 5G applications. The proposed circuit is based on an original architecture using an injection-locked voltage-controlled oscillator (ILVCO) associated with a polyphase filter followed by a phase selection circuit and its sign. The desired phase in the range of ± 45° is synthesised with the proposed circuit by altering the control voltage Vcntr of an ILVCO for fine-tuning and modifying the two control signals of phase and sign selectors (S0, S2) for coarse tuning, resulting in a 360° linear phase variation. According to the post-layout simulation results, the frequency tuning range of the VCO varies from 17.89 GHz to 20.16 GHz in free-running mode. In addition, with an injected power of -8.5 dBm and a frequency of 19.5 GHz, the proposed phase shifter draws 20.47 mA from a 1.3 V supply voltage. Furthermore, the mean output power on 50 Ω load is found to be -15.58 dBm. The whole circuit has a chip size of 1.58 mm2 including the pads and it is integrated in a BiCMOS SiGe:C 0.13 μm process. Finally, the obtained results justify that the proposed active phase shifter is a relevant design for phased-array systems used for beamforming in 5G applications.