title: Tunable Phase Gradient Supported Electrical Balance Duplexer-System based on Digital Tunable Capacitors in RF SOI Technology
title: Abstimmbares Phase-Gradient-Supported-Electrical-Balance-Duplexer-System basierend auf digital einstellbaren Kapazitäten in RF-SOI-Technologie
Creators: name: Köhler, Dominic
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: Digital Tunable Capacitors
subject: Electrical Balance Duplexer
subject: Tunable Duplexer
subject: Tunable Phase Shifter
subject: Phase Gradient Supported Electrical Balance Duplexer-System
subject: Long Term Evolution
subject: RF Frontend
subject: Frequency Division Duplex (FDD)
subject: Impedance Tuner
subject: Antenna Tracker
subject: Tunable Circuits and Devices
subject: Mobile Communications
subject: Cellular Phones
subject: RF SOI Technology
subject: SAW-less Duplexer
subject: High-Q DTC
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::62 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Bereiche

description: In modern mobile radio systems surface accoustic wave (SAW) filters are generally used for the frequency duplex. The receive (Rx) path is separated from the transmit (Tx) path by means of a so-called duplexer filter, which ensures a high level of transmit-to-receive (TxRx) isolation. To cover numerous mobile radio frequencies, a significant number of SAW-based duplex filters is required that take up a considerable amount of space in a mobile radio device. For this reason, research into tunable duplexer systems that do not require SAW filters, such as the electrical balance duplexer (EBD) and phase gradient supported electrical balance duplexer (PBD), has been pursued in the past. Both approaches reveal a notable interdependence between TxRx isolation and the variation in antenna impedance. In contrary to the ideal EBD system, the ideal PBD system is able to realize losses of less than 3 dB in the Rx and Tx path simultaneously. In literature, a varactor-based PBD system using a search algorithm-based phase shifter (PS) has been introduced. This work focuses on the applicability for practical use by replacing varactors with digital tunable capacitors (DTCs) based on radio frequency (RF) silicon-on-insulator (SOI) complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology and introducing an alternative equation-based PS (PS on the basis of analytic equations). In practical applications, maintaining a linear capacitive tuning range at high power levels is crucial. In SOI-based DTCs the power handling capability is primarily determined by its number of transistor stacks. Moreover, an equation-based PS approach can be utilized to circumvent the necessity of a search algorithm in the design phase, thereby establishing the optimal states for a minimum insertion loss in multi-band applications. An equation-based PS enhances the centering of the antenna tracker goal reflection coefficient on the Smith chart, thus enabling passive antenna trackers to cover a broad VSWR range. In the context of this work, two distinct types of DTCs are introduced. The first DTC exhibits a quality factor of greater than 68, a tuning ratio of 3.2, a resolution of less than 11 fF, a minimum capacitance of 1.417 pF, and a RF voltage handling capability of 20 V, which is equal to 36 dBm at 50 Ω. The second DTC is designed to achieve a large tuning range of 17.5, a medium quality factor with a value of 6.5, a resolution of less than 19 fF, a minimum capacitance of 1.414 pF, and a RF voltage handling capability of less than 20 V, which is equal to 36 dBm at 50 Ω. Additionally, a PBD prototype with a search algorithm-based PS targeting the long term evolution (LTE) low-band bands B71, B17, B26, and B8 is presented. The tunability of the PBD system is established by these two distinct types of DTCs. In the simulations a TxRx isolation of greater than 55 dB and an insertion loss of less than 3 dB in the Tx and Rx path is achieved. However, the determined results cannot be transferred to the examined prototype, since the wiring of the isolators differs from that in the simulation environment. A voltage standing wave ratio (VSWR) value of 1:1 at the antenna was taken into account. Furthermore, a study of equation-based PS architectures is carried out, discussing viable alternatives to search algorithm-based PS. A simulation-based evaluation of the influence on the PBD system parameters is conducted. Losses in the Tx and Rx paths are well below 3 dB. These architectures allow VSWR ranges greater than 1:1 and a centered antenna reflection goal coefficient on the Smith chart in the frequency range of 0.6 GHz to 1 GHz.
description: In modernen Mobilfunksystemen werden für das Frequenzduplex in der Regel akustische Oberflächenwellenduplexer (SAW) verwendet. Der Empfangspfad (Rx) wird vom Sendepfad (Tx) durch ein sogenanntes Duplexer-Filter getrennt, welches eine hohe Tx-zu-Rx (TxRx)-Isolation gewährleistet. Um zahlreiche Mobilfunkfrequenzen abzudecken, ist eine erhebliche Anzahl von SAW-basierten Duplexfiltern erforderlich, die in einem Mobilfunkgerät viel Platz beanspruchen. Aus diesem Grund wurden in der Vergangenheit abstimmbaren Duplexersysteme untersucht, die keine SAW-Filter benötigen, wie zum Beispiel der Electrical Balance Duplexer (EBD) und der Phase Gradient Supported Electrical Balance Duplexer (PBD). Beide Ansätze zeigen eine beachtliche Wechselbeziehung zwischen der TxRx-Isolation und der Variation der Antennenimpedanz. Im Gegensatz zum idealen EBD-System ist das ideale PBD-System in der Lage, Verluste von weniger als 3 dB im Rx- und Tx-Pfad gleichzeitig zu realisieren. In der Literatur wurde ein varaktorbasiertes PBD-System unter Verwendung eines auf einem Suchalgorithmus basierenden Phasenschiebers (PS) eingeführt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Anwendbarkeit für den praktischen Einsatz, indem Varaktoren durch digitale abstimmbare Kondensatoren (DTCs) auf Basis der Hochfrequenz-Silizium-auf-Isolator-Technologie mit komplementärem Metall-Oxid-Halbleiter (RF SOI-CMOS) ersetzt werden und ein alternativer gleichungsbasierter PS (PS auf der Grundlage von analytischen Gleichungen) eingeführt wird. In praktischen Anwendungen ist die Aufrechterhaltung eines linearen kapazitiven Abstimmbereichs bei hohen Leistungspegeln von entscheidender Bedeutung. Bei SOI-basierten DTCs wird die Belastbarkeit in erster Linie durch die Anzahl der Transistorstapel bestimmt. Darüber hinaus kann ein gleichungsbasierter PS-Ansatz verwendet werden, um die Notwendigkeit eines Suchalgorithmus in der Entwurfsphase zu umgehen und so die optimalen Zustände für eine minimale Einfügungsdämpfung in Multiband-Anwendungen zu ermitteln. Ein gleichungsbasierter PS verbessert die Zentrierung des Zielreflexionskoeffizienten des Antennentrackers im Smith-Diagramm und ermöglicht es so passiven Antennentrackern, einen größeren VSWR-Bereich abzudecken. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei verschiedene Arten von DTCs vorgestellt. Der erste DTC hat einen Qualitätsfaktor von mehr als 68, ein Abstimmungsverhältnis von 3,2, eine Auflösung von weniger als 11 fF, eine Mindestkapazität von 1,417 pF und eine HF-Spannungsbelastbarkeit von 20 V oder entsprechend 36 dBm bei 50 Ω. Der zweite DTC ist so konzipiert, dass er einen großen Abstimmbereich von 17,5, einen mittleren Qualitätsfaktor mit einem Wert von 6,5, eine Auflösung von weniger als 19 fF, eine Mindestkapazität von 1,414 pF und eine HF Spannungsbelastbarkeit von weniger als 20 V oder umgerechnet 36 dBm bei 50 Ω erreicht. Zusätzlich wird ein PBD-Prototyp mit einem auf einem Suchalgorithmus basierenden PS vorgestellt, der auf die Long Term Evolution (LTE)-Low-Band-Bänder B71, B17, B26 und B8 abzielt. Die Abstimmbarkeit des PBD-Systems wird durch diese beiden unterschiedlichen Arten von DTCs hergestellt. In den Simulationen wird eine TxRx-Isolation von mehr als 55 dB und eine Einfügungsdämpfung von weniger als 3 dB im Tx- und Rx-Pfad erreicht. Die ermittelten Ergebnisse können jedoch nicht auf den untersuchten Prototyp übertragen werden, da die Verdrahtung der Isolatoren von der in der Simulationsumgebung abweicht. Ein Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) von 1:1 an der Antenne wurde berücksichtigt. Zudem werden gleichungsbasierte PS-Architekturen untersucht, in der praktikable Alternativen zu suchalgorithmusbasierten PS diskutiert werden. Es wird eine simulationsbasierte Bewertung des Einflusses auf die PBD-Systemparameter durchgeführt. Die Verluste in den Sende- und Empfangspfaden liegen deutlich unter 3 dB. Diese Architekturen ermöglichen VSWR-Werte von größer als 1:1 und einen zentrierten Antennen Tracker-Zielreflexionszielkoeffizienten im Smith-Diagramm im Frequenzbereich von 0,6 GHz bis 1 GHz.