ISBN 978-3-8439-0640-1

978-3-8439-0640-1, Reihe Elektrotechnik

Benjamin Lämmle
Design and Applications of Integrated Millimeter-Wave Six-Port Circuits

140 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2012), Softcover, B5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen auf dem Gebiet integrierter Millimeterwellen-Sechstor-Schaltungen in modernen SiGe-Bipolar- und BiCMOS-Prozessen. Die Steigerung der Grenzfrequenzen von modernen SiGe-Bipolar- und CMOS-Transistoren ermöglicht die Realisierung integrierter Schaltungen mit Arbeitsfrequenzen über 100 GHz hinaus. Weltweit werden solche Schaltungen für Breitband-Kommunikation, Radar, Sensorik oder bildgebende Verfahren erforscht, um das tägliche Leben zu erleichtern. Das Sechstor bietet eine einfache und elegante Lösung für eine Reihe von Problemen der Schaltungstechnik und ermöglicht vielversprechende Anwendungen. Die vorgestellte Arbeit geht der Frage nach, wie diese Schaltungen entworfen und wofür sie benutzt werden können. Unterschiedliche Sechstor-Netzwerke für Anwendungen der Messungen von Reflektionsfaktoren und von Phasendifferenzen bei unterschiedlichen Frequenzen werden vorgestellt.

Zwei unterschiedliche Reflektometer bei 62 GHz und 125 GHz zum Auslesen eines Permittivitätssensors werden vorgestellt. Das 62 GHz-Reflektometer basiert auf zwei Direktionalkopplern, einem passiven Sechstor, einer Signalquelle, einem Modulator und vier Leistungsdetektoren. Die Funktionalität der Schaltung wird mit Hilfe eines integrierten Resonators demonstriert. Das 125 GHz-Reflektometer basiert auf einer Signalquelle und einer abgetasteten Leitung, welche das Messen der Stehwelle auf der Leitung ermöglicht. Die Schaltungen wurden in der SG25H1 SiGe BiCMOS-Technologie von IHP gefertigt und weisen volle Funktionalität auf. Weiterhin werden zwei Permittivitätssensoren zur Konzentrationsmessung von Flüssigkeiten vorgestellt und mit den beschriebenen Reflektometern integriert. Unterschiedliche Experimente mit Lösungsmitteln werden vorgestellt um die Funktionalität des Sensors zu demonstrieren.

Darüberhinaus wird ein 77 GHz-Empfänger zur Richtungsmessung vorgestellt, der ebenfalls auf dem Sechstor-Prinzip beruht. Der Winkel einer einfallenden Welle wird hierbei durch die Phasendifferenzen zweier Signale an zwei Antennen bestimmt. Der Empfänger besteht aus zwei Verstärkern mit geringer Rauschzahl, drei breitseitig gekoppelten Leitungen, einem Leistungsteiler und vier Leistungsdetektoren. Die Schaltung wurde im b7hf200 SiGe-Bipolar-Prozess von Infineon Technologies gefertigt. Ein Demonstrator basierend auf einer Platine mit der integrierten Schaltung und zwei Antennen wird vorgestellt und die Funktion demonstriert.