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Schottky Diode Based Envelope Detectors in Planar Topology for UWB and W-Band

Blanco Granja, Angel (2021):
Schottky Diode Based Envelope Detectors in Planar Topology for UWB and W-Band. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019221,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Schottky Diode Based Envelope Detectors in Planar Topology for UWB and W-Band
Language: English
Abstract:

The massive growth in the demand of wireless communication data rates and services require new technologies to grant broader bandwidths to end users. This work is encompassed in the European project CELTA (Convergence of Electronics and Photonics Technologies for Enabling Terahertz Applications) within the beamformer demonstrator, which aims to develop a transmitter and a receiver capable of providing high bitrate wireless indoor communications operating at W-band (75GHz to 110 GHz). This dissertation presents the design of five Schottky diode based balanced Envelope Detectors (ED). The first two detectors, UWB1 and UWB2, operate in the Ultra-WideBand (UWB) frequency range from 3.1 GHz to 10.6 GHz and are used to compare different architectures at low complexity and cost. The other three, ED1, ED2 and ED3, work in the W-band for the final goal of the beamformer demonstrator. UWB1 is composed of a balun that splits the input signal into two 180° out of phase signals and a single balanced detector circuit. It demodulates in real time and error free up to 4 Gbit/s Amplitude Shift Keying (ASK) signals with carrier frequencies between 4 GHz and 8 GHz. It reaches a World record in the State of The Art in terms of bitrate to carrier frequency ratio, ∆b, of 100 % for the 4 GHz carrier frequency. UWB2 introduces a novel architecture, combining the functionality of a balun and, at the same time rectification of the input signal, providing a more compact configuration and featuring a higher sensitivity than UWB1. As a consequence of its lower phase balance bandwidth, it demodulates in real time and error free up to 2.5 Gbit/s ASK signals modulated onto a 8 GHz carrier, providing a ∆b of 31.25 %. In the three W-band EDs, UWB2’s architecture is chosen, prioritising sensitivity, size, weight, complexity and cost over demodulated bitrate and phase balance bandwidth. The W-band EDs are built in microstrip line technology, and provide a WR-10 waveguide interface through a microstrip line to WR-10 waveguide transition. ED1’s prototype features an input RF bandwidth of 20 GHz within the W-band, 6 GHz of videobandwidth and demodulates in real time and error free up to 12 Gbit/s ASK signals. When tested in a wireless system it demodulates up to 7 Gbit/s ASK signals with a 82 GHz carrier transmitted through 1 m. These results not only fulfil the goals set for this dissertation and the CELTA’s beamformer requirements, but in addition, it improves the state of the art, since the prior envelope detector using the same diodes and substrate demodulated 3 Gbit/s through 0.5 m. Moreover, two additional W-band EDs designs are presented. According to simulation results, both detectors widen the input bandwidth, ED2 up to 35 GHz, i.e. the full W-band, and ED3 up to 29GHz. Although both envelope detectors have been manufactured, their experimental characterization remains as future work, since due to time constraints it could not be performed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die immer wachsende Zunahme der Nachfrage nach Datenraten und Diensten für die drahtlose Kommunikation erfordert neue Technologien, um Endbenutzern breitere Bandbreiten zu gewähren. Diese Arbeit ist ein Teil vom das europäische Projekt CELTA (Convergence of Electronics and Photonics Technologies for Enabling Terahertz Applications) im Rahmen des Beamformer-Demonstrators, mit dem ein Sender und ein Empfänger entwickelt werden sollen, die eine drahtlose Innenkommunikation mit hoher Bitrate im W-Band (75 GHz bis 110 GHz) ermöglichen. In dieser Arbeit werden fünf Schottky Dioden als Envelopendetektoren (ED) vorgestellt. Die ersten Detektoren, UWB1 und UWB2, arbeiten im Ultra-WideBand Frequenzbereich (UWB), d.h.von 3.1GHz bis 10.6GHz und werden verwendet, um verschiedene Architekturen bei geringer Komplexität und geringen Kosten zu vergleichen. Die anderen drei, ED1, ED2 und ED3, arbeiten im W-Band und sollen für ̈r das Endziel des Beamformer-Demonstrators eingesetzt werden. UWB1 besteht aus einem Balun, der das Eingangssignal in zwei phasenverschobene 180o Signale und eine einzige symmetrische Detektorschaltung aufteilt. Er demoduliert in Echtzeit und fehlerfrei bis zu 4 Gbit/s Amplitude Shift Keying (ASK) Signale mit Trägerfrequenzen zwischen 4GHz und 8GHz. Es erreicht eine Weltbestmarke im Stand der Technik in Bezug auf das Verhältnis von Bitrate zu Trägerfrequenz ∆b von 100 % für die Trägerfrequenz 4 GHz. UWB2 stellt eine neuartige Architektur dar, die die Funktionalität eines Baluns besitzt und gleichzeitig das Eingangssignal gleichrichtet, eine kompaktere Konfiguration bietet und eine höhere Empfindlichkeit als UWB1 aufweist. Infolge seiner geringeren Phasenausgleichsbandbreite demoduliert es in Echtzeit und fehlerfrei ASK-Signale mit bis zu 2.5 Gbit/s, die auf einen 8 GHz Träger moduliert sind. Dies entspricht einem ∆b von 31.25 % entspricht. In den drei W-Band-EDs wird die Architektur von UWB2 ausgewählt, wobei Empfindlichkeit, Größe, Gewicht, Komplexität und Kosten Vorrang vor demodulierter Bitrate und Phasenausgleichsbandbreite haben. Die W-Band-EDs sind in Mikrostreifenleitungstechnologie aufgebaut und bieten eine WR-10 Hohlleiter über eine Mikrostreifenleitung zum WR-10 Hohlleiterrübergang. Der Prototyp von ED1 verfügt über eine HF-Eingangsbandbreite von 20 GHz im W-Band, eine Videobandbreite von 6 GHz und demoduliert in Echtzeit und fehlerfrei bis zu 12 Gbit/s ASK-Signalen. Die Überprüfung in einem drahtlosen System zeigte, dass es demoduliert es ASK-Signale mit bis zu 7 Gbit/s mit einem 82 GHz Träger, der über 1 m übertragen wird. Diese Ergebnisse erfüllen nicht nur die für diese Dissertation festgelegten Ziele und die Anforderungen des CELTA Strahlformers, sondern sie verbessern auch den Stand der Technik, da der bisherige Hüllkurvendetektor mit denselben Dioden und Substrat 3 Gbit/s über 0.5 m demoduliert. Darüber hinaus werden zwei zusätzliche Designs von W-Band-EDs vorgestellt. Gemäß den Simulationsergebnissen erweitern beide Detektoren die Eingangsbandbreite, ED2 auf 35GHz, d. h. auf das gesamte W-Band, und ED3 29GHz. Obwohl beide Hüllkurvendetektoren hergestellt wurden, stellt ihre experimentelle Charakterisierung eine wichtige Aufgabe für zukünftige Vorhaben dar, da sie aus zeitlichen Gründen nicht durchgeführt werden konnte.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvii, 122 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Microwave Engineering
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics
TU-Projects: EC/H2020|675683|CELTA
Date Deposited: 19 Aug 2021 13:28
Last Modified: 19 Aug 2021 13:28
DOI: 10.26083/tuprints-00019221
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-192215
Refereed: 30 April 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19221
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