Modern haberleşme sistemlerinde kullanılan sıralı anten dizileri için minyatür faz kaydırma devrelerinin tasarımı
The design of prototype digital phase shifter circuits for consequent antenna series used in modern communication systems
Yazar: ERCAN ATASOY
Danışman: PROF. DR. BEKİR SIDDIK BİNBOĞA YARMAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Her geçen gün mobil veri tüketimine olan talep artmaktadır. Ayrıca geniş bantlı mobil veri tüketimine olan ihtiyaç uzaktan video izleme ve görüntülü iletişim gibi uygulamalarla daha da artmaktadır. Bunların üzerine gelişen IoT uygulamalarıyla milyarlarca cihazın mobil ağlar üzerinden haberleşmesi öngörülmektedir. Bu ihtiyaçları karşılamak için Wi-Fi, LTE-M ve 5G gibi teknolojiler aday gösterilmektedir. Bu teknolojilerin hayata geçirilebilmesi için dalgaların girişim problemlerini minimize eden, sinyalin yönünü kontrol edebilen, geniş bantta daha efektif güçle çalışma imkanı sağlayan akıllı antenlere ihtiyaç vardır. Akıllı antenlerin temel yapı taşı faz kaydırıcılardır. Akıllı antenlerde ve radar sistemlerinde faz kaydırıcılar anten yayının belli bir yönde hüzmelenmesi ve alanın taranması için çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Dolayısıyla geniş bantlı, MMIC olarak üretilebilen ve diğer iletim modülleriyle çip seviyesinde entegre çalışabilen düşük maliyetli faz kaydırıcılara azami ihtiyaç vardır.
Bu tezde 3-6 GHz bantında 45°, 90° ve 180° faz kaydırıcı hücrelerini oluşturmak için özgün faz kaydırıcı topolojiler sunulmaktadır. Bu faz birimleri makul bileşen kayıpları ile kompakt devre boyutu sağlar. Yeni devrenin çalışması simetrik tüm geçiren LC kafeslerin faz kaydırma özelliklerine dayanır. Bu çalışma ile geniş frekans bantı üzerinde çoklu bit faz dizi sistemleri için farklı açılarda faz kaydırıcı hücreleri oluşturmak oldukça kolaydır. Açık tasarım denklemleri, ideal normalleştirilmiş değerli toplu öğeli elemanlara ve normalize edilmiş frekansa dayalı olarak sunulmaktadır. Tasarım modelini içeren sayısal yöntem MATLAB'da analiz edilmiştir. Birçok mobil iletişim teknolojisini aynı anda desteklemek ve CMOS olarak üretebilmek için eleman değerleri de göz önünde bulundurularak 3-6 GHz bantı çalışma bantı olarak seçilmiştir. Genel tasarım CADENCE'da 180nm TSMC CMOS teknolojisinde simüle edilmiştir. Anahtarlama elemanı olarak PIN diyot yerine düşük güç tüketen ve basit anahtarlama kontrol devresi sunan FET anahtarlar kullanılmıştır. Faz kaydırıcı devreyi simetrik sürmek için balun transformatör kullanılmıştır. 
3-6 GHz bantında 180°, 90° ve 45° için maksimum faz hatası sırasıyla 0°, 3.2° ve 1.9°, güç kaybı performansı sırasıyla -1.94 ~ -2.14 dB, -0.06 ~ -1.57 dB ve -0.65 ~ -0.93 dB olarak elde edilmiştir. Burada, en kötü senaryonun 180° faz kaydırma biriminde elde edildiğine dikkat edilmelidir.180° için yapılan yonga çizim analizinde faz hatası 0.2°'dir. Giriş güç kaybı performansı -4.26 dB ila -5.24 dB arasında değişmektedir. 180° hücrenin yonga alanı 0.551mm x 0.632mm=0.348mm²'dir. Diğer fazları da değerlendirdiğimizde 3-6 GHz bantında 3 bit faz kaydırıcı için genel olarak giriş güç kaybı 5.24dB'nin altında ve RMS faz hatası 2.14° dereceden düşük 3-bit faz kaydırıcı elde edilmiştir. Ayrıca 3-6 GHz frekans bantında çalışan 180nm TSMC CMOS teknolojisi ile gerçeklenmiş, balun transformatör ve kayıpları telafi eden LNA literatürden sunulmuştur. Böylece 3-6 GHz bantında diğer bileşenlerle entegre bir şekilde 180nm TSMC CMOS teknolojisi ile üretilebilen 3 bit, oktav bantlı, düşük üretim maliyetli, düşük giriş güç kaybına ve faz hatasına sahip, küçük yonga alanlı minyatür faz kaydırıcı gerçeklenebileceği doğrulanmıştır.

Abstract:
Everyday demand for mobile data consumption is increasing. In addition, the need for broadband mobile data consumption is further enhanced by applications such as remote video surveillance and video communication. It is foreseen that billions of devices will be communicated over mobile networks with IOT applications developed on them. Technologies like Wi-Fi, LTE-M and 5G are being nominated to meet these needs. To realize these technologies, there is a need for smart antennas that can minimize interference problems, perform beam forming and work with more effective power on the broadband. The basic building blocks of smart antennas are the phase shifters. In smart antennas and radar systems, phase shifters are used extensively for beam forming and scanning the area. Therefore, there is a huge demand for low-cost, wide band phase shifters that can be manufactured as MMIC integrated with other transmission modules in chip.
In this thesis, a novel phase shifter topologies to construct 45°, 90° and 180° phase shifter cells laid-out using 180 nm TSMC technology are presented. These phase units provide compact circuit size with reasonable component losses. Operation of the new circuit is based on the phase shifting properties of the symmetrical all-pass LC lattices. As a consequence of this research, it is straight forward to construct phase shifting cells over a wide frequency band, with various angles for multi bit phase array systems. Explicit design equations are presented based on ideal normalized value lumped elements and normalized frequency. A numerical method which includes the design model is analyzed in MATLAB. Considering element values that can be realized within CMOS technology and to support multiple mobile technologies 3-6 GHz band is selected as a working band. Top level design is simulated in CADENCE with 180nm TSMC technology. Instead of using pin-diodes in the phase shifter topologies, FET switches are used to have advantages of simple control circuit for switching, low cost implementation and very low power consumption. Balun transformer is used to drive the phase shifter circuit symmetrically.
Over the 3-6 GHz band, 180°, 90° and 45° phase shifts are achieved with maximum 0°, 3.2° and 1.9° phase errors with insertion loss of -1.94 ~ -2.14 dB, -0.06 ~ -1.57 dB and -0.65 ~ -0.93 dB respectively. However, it should be noted the worst-case scenario is obtained in 180° phase shift unit. Extracted layout analyses for 180° showed that maximum phase error is 0.2° and insertion loss is between -4.26 dB and -5.24 dB. 180° phase cell chip size is 0.551mm x 0.632mm=0.348mm².  Considering the other phase bits, it is possible to realize a 3-bit phase shifter with insertion loss less than 5.24dB and with RMS phase error less than 2.14° at 3-6 GHz band. In addition, a balun transformer and LNA which are realized with 180nm TSMC CMOS technology covering 3-6 GHz band have been presented. Thus, it has been verified that a 3-bit, octave band, low cost, low phase error, low insertion loss and small chip size phase shifter can be realized with 180nm TSMC CMOS technology integrated with other components in chip at 3-6 GHz band.