Towards Broadband Communication at 300 GHz in Silicon
Creators: name: Bücher, Thomas Patrick Henry
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2024
Subjects: Breitbandig
Kommunikation
300 GHz
6G
Silizium
Silizium Germanium
HBT
Leistungsverstärker
Sender
Empfänger
40 Gbit/s
Broadband
Communication
Silicon
Silicon Germanium
Power Amplifier
Transmitter
Receiver

description: Leicht zugängliche Kommunikation war der Schlüssel für die rasante technologischeund gesellschaftliche Entwicklung im letzten Jahrhundert. Kommunikation hat geografische und politische Grenzen niedergerissen und uns die Möglichkeit gegeben,Informationen über die ganze Welt in einem - methaporischen - Wimpernschlag auszutauschen. Kommunikation hat jedoch nicht bei der Übermittlung des geschriebenenoder gesprochenen Wortes aufgehört, so dass wir heute eine hohe Nachfrage nachVideostreaming - in Form von Youtube, Netflix, Twitch etc. - und reiner Datenübertragung für beispielsweise Cloud Computing sehen.Diese gestiegenen Anforderungen haben zu verschiedenen Kommunikationsstandardsund ihrer Evolution geführt, z.B. für die drahtlose Kommunikation von GPRS bis zumheutigen 5G. Der exponentiell Datenverbrauch zwingt die Forschung, neue Wege zufinden, um Engpässe zu beseitigen und Datenraten zu erhöhen. Eine Lösung zur Erhöhung der Datenraten ist die Nutzung von mehr Bandbreite oder mit anderen Wortendie Belegung größerer Teile des Frequenzspektrums.Durch diesen unstillbaren Durst nach Bandbreite wird Millimeterwellen-Kommunikationzunehmend attraktiv und es wird erwartet, dass die Betriebsfrequenzen und die Bandbreite in den nächsten Jahrzehnten weiter zunehmen werden. Für die nächste Generation der drahtlosen Kommunikation (Beyond5G oder 6G) sind Trägerfrequenzen biszu 300 GHz für Forschung und Entwicklung interessant geworden. Allerdings stößt dieForschung in diesem Frequenzbereich an die technologischen Grenzen der bestehendenHalbleitertechnologien.Diese Dissertation befasst sich mit der Implementierung von dual-polarisierten Sendernund Empfängern bei Betriebsfrequenzen bis zu 300 GHz. Eine erfolgreiche Implementierung erlaubt die Addressierung eines bisher ungenutzen Frequenzbandes, welchesdurch das IEEE als potentielle Lösung für breitbandige, kabellose Kommunikationgesehen wird. Hierfür müssen zunächst die einzelnen Bestandteile des Senders undEmpfängers von Grund auf neu entwickelt werden, um die entsprechende Bandbreitean der technologischen Grenze zu erreichen.Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein dual-polarisierter Sender und Empfängerin einer fortgeschrittenen 0,13 µm Silicon germanium (SiGe) BiCMOS Technologie verwendet. Im Verlauf der Dissertation werden zunächst die einzelnen Grundbausteine,hier im speziellen die beiden Mischer, der Leistungsverstärker und die Trägerfrequenzgenerierung beschrieben und ihre Messergebnisse präsentiert. Daraufhin werden dieGrundbausteine zu vollständigen Sender und Empfängern zusammengesetzt, welchegefertigt wurden. Um die Sender und Empfänger zu charakterisieren wurden spezielleLeiterplatten entwickelt, die einen breitbandigen Zugriff auf die eigentlichen integrierten Schaltungen ermöglichen.Sowohl Sender als auch Empfänger werden zunächst einzeln charakterisiert, um sodie Leistungsmetriken wie Ausgangsleistung und Bandbreite zu extrahieren. Zusätzlich werden Sender und Empfänger in einer Distanz von 60 cm zueinander aufgebautund die eigentliche Funkstrecke charakterisiert. Zusätzlich zur reinen, ideallen Messung werden über den aufgebauten Kanal Daten übertragen, um das Potenzial desKommunikationssystems zu erfassen. Im Rahmen des Enticklungsprozesses und derCharakterisierung werden einzelne Problemstellungen diskutiert, welche sich aus derFrequenzskalierung und der erhöhten Systemkomplexität ergeben. Entsprechende Lö-sungsansätze werden hierbei auch diskutiert.Die hier präsentierten Sender und Empfänger stellen den ersten rein auf Siliziumbasierten Kommunikationskanal da, welcher bei Trägerfrequenzen bis zu 300 GHz eineerfolgreiche Datenübertragung erlaubt. Die aktuell bestehenden Limitierungen durchden Aufbau und des Empfängers schränken die maximale Datenrate auf 40 GBit/s ineiner QPSK-Modulation ein.Alles in allem zeigt diese Dissertation, dass siliziumbasierte Kommunikation bei 300 GHzmöglich ist und Silizium somit als potentieller Lösungsansatz für zukünftige TerahertzKommunikation geeignet ist.
description: Readily available Communication has been the key ingredient for the rapid technological and societal evolution in the last century. Communication has torn down geographic and political boundaries and has given us the means to share information allover the world in a - metaphorical - blink of an eye. Communication however has notstopped the transmission of written or spoken word, but today we see a high demandfor video streaming (e.g. Youtube, Netflix, Twitch) or pure data transmission for cloudcomputing. These increased demands have led to various communication standardsi.e. for wireless communication from Global System for Mobile Communications tonow fifth-generation technology standard for broadband cellular networks introducedin 2019 (5G). The exponentially growing data consumption forces research to find newways to remove bottlenecks and increase possible data rates. One solution to increasethe data rates is the use of more bandwidth or in other words occupy larger parts ofthe frequency spectrum.This thirst for bandwidth has made mmWave communications attractive and it is expected that the operation frequencies and bandwidth will continue to increase for thenext decades. For the next generation of wireless communication (Beyond5G or 6G),carrier frequencies up to 300 GHz have become interesting for research and development. However, research in this frequency range approaches the technological limit ofexisting semiconductor technologies.This thesis focuses on the implementation of a dual-polarized transmitter and receiver operating up to 300 GHz. This allows to access an untapped frequency rangewhich has already be envisioned as a potential solution for high-frequency communication by the IEEE. For this, the individual components were designed from scratchto achieve high bandwidth at the technological limit of Silicon germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistor (HBT)s.For this thesis, a dual-polarized transmitter and receiver were developed in an advanced 0.13 µm SiGe Bipolar CMOS (BiCMOS) technology. Within the scope of thisthesis, the individual building blocks in the form of up- and downconversion mixers,power amplifiers, and the LO generation path are presented with their individual measurement results. These building blocks are integrated into the respective transmitterand receiver implementations. To connect the transmitter and receiver to the laboratory equipment, a broadband, high-frequency packaging is designed.The transmitter and receiver are individually characterized for their Radio Frequency (RF) performance. In addition, back-to-back RF link performance is shown aswell as actual communication over a distance of 60 cm.The presented transmitter and receiver present the first fundamentally operatedcommunication link in silicon at 300 GHz. With the frequency scaling and addedcircuit complexity of the dual-polarized communication system, limitations in bothcircuit design and packaging are investigated which limit the currently achievable datarate to 40 GBit/s in Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK).In conclusion, it is shown that silicon technologies will be able to meet the visionof both industry and standardization committees in achieving Terahertz (THz) communication. Throughout this thesis, several future improvements and concepts areintroduced and discussed to show the potential of THz communication.