طراحی و شبیه‌سازی سوئیچ کم‌تلف SPDT در باند Ka برای جابجایی پرتو آرایه‌های مدولاسیون زمانی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق – دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

در سیستم‌های آرایه مدولاسیون زمانی، از سوئیچ به‌جای فازگردان استفاده می‌گردد که منجر به کاهش ابعاد، پیچیدگی، توان مصرفی و قیمت نهایی آرایه می‌شود. سوئیچ به‌عنوان عنصر کنترلی برای وزن‌دهی عنصرهای آرایه استفاده می‌شود. برای کاهش هزینه ساخت تا حد امکان ابعاد تراشه فشرده شده و از فناوری ارزان‌قیمتCMOS  180 نانومتر کارخانه TSMC، برای طراحی استفاده شده است. سوئیچ دارای تلفات dB 1.85 در فرکانس 33 گیگاهرتز و ایزولاسیون بیشتر از  dB17 دارد. در مقایسه با سایر سوئیچ‌های طراحی‌شده در فناوری مذکور (تا به امروز) حداقل تلفات و ابعاد را داراست. هم‌چنین با تطبیق امپدانس مناسب، تمام باند Ka را پوشش می‌دهد. دیگر عنصر موردنیاز برای طراحی آرایه، یک تقسیم/ترکیب‌کننده توان با حداقل ابعاد است. چون آرایه موردنظر 4 عنصر دارد، به یک مقسم توان یک‌به‌چهار نیاز است. مجموعه سوئیچ‌ها و مقسم توان تشکیل یک آرایه مدولاسیون زمانی می‌دهند. آرایه مجتمع طراحی‌شده به‌خوبی بازه فرکانسی 26.5 تا 37.6 گیگاهرتز را پوشش می‌دهد و ابعاد آن 0.7 در 1.48 میلی‌مترمربع است. توان مصرفی آرایه مجتمع طراحی‌شده برابر صفر است چراکه تمامی عنصرهای به‌کار برده‌شده هیچ توانی مصرف نمی‌کنند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Design and Simulation of a Low Loss Ka-band SPDT Switch for Time Modulated Array Beam Steering

نویسندگان [English]

  • M. R. Amjadian
  • M. Fakharzadeh
Faculty of Electrical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

In Time modulated arrays (TMAs), a switch is used instead of a phase shifter, which reduces the area, complexity, power consumption and the overal cost of the array. The TMA uses the switch as a control element for array weighting for the purpose of beam forming and beam steering. To lower the IC cost, the IC is designed to be as compact as small as possible. Moreover, the inexpensive CMOS 180 nm technology of TSMC is used for IC fabrication. The designed SPDT switch has 1.85 dB loss at 33 GHz, more than 17 dB isolation in Ka-band, and its area is 0.086 mm2. Compared to other switches designed in CMOS180 nm, this work has the lowest loss and area (up to now), and covers Ka-band completely. Another critical element of an array is a power combiner/divider with minimum area. Because this array has 4 elements, it needs a 4-way power divider. Four switches and power divider form a TMA IC, which covers 26.5 to 37.6 GHz with an area of 0.7 by 1.48 mm2. The power consumption of the array is zero since all the elements are passive and do not consume any power.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Time modulated array(TMA)
  • SPDT switch
  • Ka band
  • CMOS 180 nm
  • low loss switch
  • lumped power combiner/divider
  • compact array
  • 4-D array
[1]       P. Mousavi, M. Fakharzadeh, S.H. Jamali, K. Narimani, M. Hossu, H. Bolandhemmat, G. Rafi and S. Safavi-Naeini,” A low-cost ultra low profile phased array system for mobile satellite reception using zero-knowledge beamforming algorithm”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol.56, pp.3667-3679, Dec. 2008
[2]      حبیبی زهرا، کازرونی محسن، محسن ارمکی سیدحسین، « ارائه یک روش کاربردی جهت کالیبراسیون آنتن‌های آرایه فازی »، مجله مهندسی برقدانشگاه تبریز، جلد 45، شماره 4، صفحه 84-79، 1394
[3]       H.E.‌Shanks,R. W. Bickmore, ”Four-dimensional electromagnetic radiators”, Canad. J. Phys., Vol. 37, pp. 263-275, Mar. 1959..
[4]      Rocca, Q. Zhu, E. Bekele, S. Yang and A. Massa, “4-D arrays as enabling technology for cognitive radio systems,” IEEE Transaction Antennas Propagation, vol. 62, no.3, pp. 1102–1116, Mar. 2014.
[5]      B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2001
[6]      C. S. Kuo, H. C. Kuo, H. R. Chuang, C. Y Chen and T. H. Huang “A high-isolation 60GHz CMOS transmit/receive switch,” in IEEE Radio Freq. Integr. Circuits Symp. Dig., pp. 1–4, Jun. 2011
[7]      M. C. Yeh, Z. M. Tsai, R. C. Liu, K. Y. Lin, Y. T. Chang, and H. Wang,” Design and analysis for a miniature CMOS SPDT switch using body-floating tecgnique to improve power performance”, Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 54, no. 1, pp. 31-39, 2006
[8]      B. W. Min and G.M. Rebeiz, “Ka-band low-loss and high-isolation 0.13 um CMOS SPST/SPDT switches using high substrate resistance”, in Proc. IEEE Radio Freq. Integr Circuit Symp., Honolulu, pp. 569–572, Jun.2007
[9]      “TSMC 0.18 um mixed signal 1P6M salicide 1.8V/3.3V RF SPICE Models”
[10]      O. Murphy, K.  McCarthy, C. Delabie, A. Murphy and P. Murphy, “Design of multiple-metal stacked inductors incorporating an extended physical model”, Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol. 53, no. 6, pp. 2063-2072, 2005
[11]      S. A. Sharabi, Extension of 0.18um standard CMOS technology operating range to the microwave and milimetre-wave regime, PhD thesis, University of Glasgow, 2015
[12]      جاویدان جواد، فاضل سپیده، « طراحی تقویت‌کننده توان دوبانده با سوئیچ فعال در GHz 4/2/9/0 در پروسه µm RF CMOS 18/0 »، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 46، شماره 4، صفحه 94-85، 1395
[13]      C. Y. Ou, C. Y. Hsu, H. R Lin and H. R. Chuang,” a high-isolation high-linearity 24-GHz CMOS T/R switch in the 0.18um cmos process”, Microwave Integrated Circuits Conference, 2009. EuMIC 2009. European, Sep. 2009
[14]      S. Mou, M. Kaixue, Y.K. Seng, B.K. Thangarasu and N. Mahalingam,” A DC to 30GHz ultra-wideband cmos T/R switch”, Semiconductor Conference Dresden (SCD), Sep. 2011
[15]      F. H. Huang and Y. M. Hsin, “Broadband complementary metal-oxide semiconductor single-pole-double-throw switch with improved power handling capability using dual-gate metal-oxide semiconductor field-effect transistors”, IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 9, pp. 502-507, Apr. 2015
[16]      M. C. Yeh, Z. M. Tsai and H. Wang,“A miniature DC-to-50 GHz CMOS SPDT distributed switch”, Gallium Arsenide and Other Semiconductor Application Symposium, Oct. 2005
[17]      D.M. Pozar, Microwave Engineering, Third Edition, John Wiley & Sons, 2005
[18]      J. G. Kim and G.M. Rebeiz, “Miniature Four-way and two-way 24 GHz Wilkinson power dividers in 0.13um CMOS”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 17, no. 9, Sep. 2007
[19]      Z. Safarian, T. S. Chu and H. Hashemi, “A 0.13µm CMOS 4-channel UWB timed array transmitter chipset with sub-200ps switches and all-digital timing circuitry”, IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, pp. 601-604, 2008