4 kanal hüzme şekillendirici devre için modül VLSI tasarımı
VLSI module design for 4 channel beam former circuit
Yazar: ALPER URGUN
Danışman: PROF. DR. ALİ TANGEL
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Devre kesiciler = Circuit breakers ; Faz kaydırıcıları = Phase shifters ; Hüzme yönlendirme = Beam steering ; VLSI = VLSI

Özet:
Faz kaydırıcılar, faz dizili antenlerden oluşan hüzme şekillendirme sistemlerinin en 
önemli elemanlarından birisidir. Hüzme şekillendiriciler anten dizilerinden oluşurlar, her 
bir antene gelen sinyalin zamanda gecikmesi ve faz açısının değişmesi ile istenilen hüzme 
açısı mekanik değişikliğe gerek duyulmadan elektronik olarak elde edilir. Bu çalışmada 
0.25-μm SiGe BiCMOS prosesine ait düzlemsel spiral indüktör ve metal/izolatör/metal 
MIM kapasitör modellerine göre benzetilmiş 4-bit (22,5° adım) sayısal kontrollü bir X band 
(8-12 GHz) pasif faz kaydırıcı sunulmaktadır. Faz kaydırıcı Synopsys platformu 
kullanılarak tasarlanmış ve benzetimi tamamlanmıştır. Benzetimler sırasında zamana 
göre analizler ve ac analiz yöntemleri kullanılmıştır. Teorik ve simülasyon sonuçları 
karşılaştırılmıştır. Toplam RMS faz hatası 180 derecelik modülü saymazsak 3,2 derecedir 
180 derecelik modülle 10,2 derecedir. İndüktörün kararlılığı ve alan zorlukları nedeniyle, 
faz kayması Yüksek Geçişli Tee ve Düşük Geçişli Pi filtreleri ile elde edilmiştir. 
Anahtarlama işlemi için izole NMOS kullanılmıştır. Tüm bitler ve bit sıraları, daha az 
RMS faz hatası ve genel ekleme kaybı elde etmek için dikkatlice seçilmiştir. 
Karşılaştırılabilir benzetim sonuçlarına göre, YITAL 0,25-μm SiGe BiCMOS modelleri 
ve PDK kullanılarak 4-Bit X-Bant CMOS Pasif Faz Kaydırıcı tasarımının mümkün 
olduğu görülmüştür. Bu çalışmanın bilimsel katkısı, literatürde daha önce değinilmemiş 
bazı tasarım zorluklarını ele almasıdır.

Abstract:
Phase shifters are one of the key components of beamforming units consisting of phased 
array antennas. Beamformers are composed of antenna arrays, and the desired beam angle 
is obtained electronically without mechanical modification by changing the time delay 
and phase angle of the signal coming to each antenna. In this work, we present a 4-bit 
(22.5° step) numerically controllable X-band (8-12 GHz) passive phase shifter based on 
a 0.25-μm SiGe BiCMOS process simulating a metal/insulator/metal MIM capacitor and 
a planar spiral inductor. The phase shifter was simulated and designed in Synopsys 
platform. Time dependent analyses and ac analysis methods were used during the 
simulations. Theoretical and simulation results are compared. The overall RMS phase 
error is 3.2 degrees not counting the 180-degree module and 10.2 degrees with the 180-
degree module. Due to the stability of the inductor and field difficulties, the phase shift is 
achieved by High Pass Tee and Low Pass Pi filters. For the switching operation, isolated 
NMOS is used. All bits and bit sequences are carefully selected to achieve less total 
insertion loss and RMS phase error. The compared simulation results show that it is 
possible to design a 4-Bit X-Band CMOS Passive Phase Shifter using YITAL 0.25-μm 
SiGe BiCMOS models and PDK. The scientific contribution of this work is that it 
addresses some design challenges unaddressed previously in the literature.