Circuiti di commutazione e condizionamento del segnale a microonde ed onde millimetriche

In a complex microwave integrated subsystem, there are several functional blocks such as switches, attenuators, phase shifters and finally isolators and circulators that can coexist in addition to the classical functions of low noise, small-signal and power amplification, whose performance is increasingly being pushed to the limit of the selected technology. Such functions can be classified under the name of switching and signal conditioning circuits. These functional blocks are often coincident with the passive part of the complex subsystem. In recent years, especially if T/R modules for radar and telecommunications application are considered, a continuous increase in integration of such switching and signal conditioning building blocks with the amplifying ones can be noticed. This is the reason why a critical review of these functions is necessary to find innovative solutions, ensuring an easier integration while maintaining or, if possible, improving their performance. The goal of this work is exactly in such direction. In its first part, direct modulation elements have been studied. These circuits can replace both signal conditioning circuits, e.g. the classical attenuators and digital phase shifters. Two monolithic test vehicles in 70nm GaAs technology are presented for direct modulators: a biphase and a vector modulator, both operating in the V-band (in particular 45 to 65 GHz). Both circuits have been realized and measured. In the second part of this work, a class of switching elements have been studied: SPST (Single Pole - Single Through) switches and SPDT (Single Pole - Double Through) switches. More precisely, attention was focused on the inductive and resistive-inductive compensation technique used to improve the isolation performance of a FET in a series switch configuration. Two 0.25 μm GaN technology monolithic SPDT switches are presented as test vehicles: the first operates at X-band and the second in the 2-18GHz band. Both circuits have been realized and measured. At the end of this work, a study on the state-of-the-art of passive isolators and circulators is carried out, and then the same study is performed on active isolators, circulators and quasi-circulators. A quasi-circulator, based on an innovative element, also developed in parallel to this thesis, which implements a non-reciprocal active phase shifter has been designed. Both circuits are designed to operate at X-band and by using a 0.18 μm GaAs pHEMT technology.

In un circuito integrato a microonde complesso, oltre alle funzioni di amplificazione a basso rumore, di guadagno e di potenza le cui prestazioni vengono sempre più spinte al limite della tecnologia utilizzata, possono coesistere tutta una serie di funzioni altrettanto importanti che potrebbero essere classificate sotto il nome di funzioni di commutazione e condizionamento del segnale. Quasi sempre queste funzioni coincidono con la parte passiva del circuito complesso analizzato. Tra queste funzioni, le principali sono quelle realizzate da switch, attenuatori, sfasatori ed infine quelle realizzate dagli isolatori e dai circolatori. Negli ultimi anni si sta assistendo, soprattutto nel campo dei moduli T/R per applicazioni radar o di telecomunicazioni, ad una continua spinta all’integrazione su di un unico chip di queste funzioni insieme a quelle di amplificazione. Proprio per tale motivo si rende necessaria una rivisitazione teorica e pratica delle funzioni di commutazione e condizionamento del segnale finora utilizzate al fine di trovare soluzioni innovative che garantiscano una più facile integrazione di dette funzioni mantenendone invariate o, se possibile, migliorandone le prestazioni. Questo lavoro di tesi si prefigge proprio tale scopo. Nella prima parte di questo lavoro di tesi sono stati studiati i modulatori diretti, elementi in grado di sostituire contemporaneamente circuiti di condizionamento del segnale quali gli attenuatori e gli sfasatori digitali classici. Sono stati presentati due progetti di modulatori diretti monolitici in tecnologia GaAs a 70nm: uno bifase e l’altro vettoriale operanti in banda V (in particolare da 45 a 65 GHz) i quali sono stati entrambi realizzati e misurati. Nella seconda parte di questo lavoro è stata trattata una specifica classe di elementi di commutazione ossia gli switch di tipo SPST (Single Pole Single Through) ed SPDT (Single Pole Double Through). Più precisamente l’attenzione è stata focalizzata sulla tecnica della compensazione induttiva e resistivo-induttiva utilizzata per migliorare le prestazioni di isolamento di un FET in configurazione switch serie. Sono stati presentati due progetti di switch SPDT monolitici in tecnologia GaN a 0.25 µm: il primo operante in banda X ed il secondo operante nella banda 2-18GHz i quali sono stati entrambi realizzati e misurati. Nell’ultima parte di questo lavoro di tesi è stato dapprima condotto uno studio sullo stato dell’arte degli isolatori e dei circolatori passivi, successivamente lo stesso studio è stato condotto sugli isolatori, sui circolatori e sui quasi-circolatori attivi. E’ stato progettato un quasi-circolatore innovativo basato su un elemento, anch’esso sviluppato contestualmente a tale lavoro di tesi, che implementa uno sfasatore non reciproco attivo 0/90°. Entrambi i circuiti sono stati simulati e progettati in banda X ed utilizzando una tecnologia MMIC basata su pHEMT in GaAs a 0.18 µm.