[論文レビュー] Non-reciprocal Components Based on Switched Transmission Lines

Aravind Nagulu, Tolga Dinç+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2018

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 38被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、空間的・時間的導電率変調を施したスイッチド伝送線路を用いて、磁気的でなくCMOSプロセスと互換性を持つ非再帰的素子（隔離器、サーキュレータ、ギャラクターなど）を実現する手法を提示する。伝送線路上のトランジスタによる高対比スイッチングを活用することで、広帯域・低損失・小型化された非再帰的動作を実現し、45 nm SOI CMOSプロセスを用いた25 GHzサーキュレータおよび離散部品プロトタイプにおいて実験的に検証された。

ABSTRACT

Non-reciprocal components, such as isolators and circulators, are critical to wireless communication and radar applications. Traditionally, non-reciprocal components have been implemented using ferrite materials, which exhibit non-reciprocity under the influence of an external magnetic field. However, ferrite materials cannot be integrated into IC fabrication processes, and consequently are bulky and expensive. In the recent past, there has been strong interest in achieving non-reciprocity in a non-magnetic IC-compatible fashion using spatio-temporal modulation. In this paper, we present a general approach to non-reciprocity based on switched transmission lines. Switched transmission lines enable broadband, lossless and compact non-reciprocity, and a wide range of non-reciprocal functionalities, including non-reciprocal phase shifters, ultra-broadband gyrators and isolators, frequency-conversion isolators, and high-linearity/high-frequency/ultra-broadband circulators. We present a detailed theoretical analysis of the various non-idealities that impact insertion loss and provide design guidelines. The theory is validated by experimental results from discrete-component-based gyrators and isolators, and a 25GHz circulator fabricated in 45nm SOI CMOS technology.

研究の動機と目的

• フェライト素子に依存しない、ICプロセスと互換性があり、かつフェライト系システムの大型化やCMOSプロセスとの不適合といった制限を克服する非再帰的素子の開発。
• 既存の非磁気的非再帰的構造に内在する、挿入損失・帯域幅・線形性のトレードオフを解消すること。
• 全二重通信およびレーダーシステムに適した、高性能でコンactで広帯域の非再帰的回路を、スイッチド伝送線路を用いて実現すること。
• スイッチドライン非再帰的素子における挿入損失および性能トレードオフを推定する包括的な理論的フレームワークの提供。

提案手法

• 伝送線路上に配置されたスイッチングトランジスタによる空間的・時間的導電率変調を用い、時間的に変化するインピーダンスプロファイルを生成することで、再帰性を破る。
• 遅延線路上での位相差をもったトランジスタのスイッチングを用いることで、スイッチド伝送線路が広帯域・無損失の非再帰的動作を実現する。
• 理論的解析により、スイッチおよびフィルタのQファクタや非再帰的素子の有効Qファクタといった非理想性を考慮した挿入損失をモデル化する。
• 45 nm SOI CMOSプロセスで、二重平衡型サーキュレータトポロジを設計・プロトタイピングし、信号の方向性ルーティングを実現するため、180°位相差をもったステアッタ型クロック信号を印加する。
• VNAを用いたミリ波プローブを用いた後工程シミュレーションおよび測定を実施し、バランサムのデエンベロープ処理を施したSパラメータを抽出する。
• 周波数応答および隔離度を推定するために、級連Qファクタ近似および切り捨てられたフーリエ級数展開を用いて理論的損失モデルを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェライト材料に依存せず、完全にCMOSプロセスと互換性があり、コンパactsで広帯域の非再帰的動作を実現する方法は何か？
• RQ2 スイッチド伝送線路に基づく非再帰的素子における挿入損失に影響を与える主要な非理想性は何か？そして、それらを正確にモデル化するにはどうすればよいか？
• RQ3 標準的なCMOSプロセスを用いて、スイッチドライン変調により高線形性・高周波数のサーキュレータを実現できるか？
• RQ4 スイッチドライン非再帰的素子の性能は、理論的予測およびシミュレーション結果とどの程度一致するか？
• RQ5 実装におけるクロック位相ノイズおよびインピーダンス不整合は、隔離度および挿入損失にどの程度制限を及えるか？

主な発見

• 45 nm SOI CMOSプロセスでプロトタイピングされた25 GHzサーキュレータは、測定されたS21およびS32の挿入損失がそれぞれ-3.3 dBおよび-3.2 dBであり、後工程シミュレーションおよび理論的推定値とよく一致した。
• 測定された逆方向隔離度S31は-18.9 dBであったが、これは主にミリ波プローブの終端部のリターンロスに起因しており、サーキュレータ自体の内在的性能による制限ではない。
• 級連Qファクタおよび切り捨てられたフーリエ級数展開を用いた理論的損失モデルは、シミュレーションおよび測定結果と強い一致を示し、解析的フレームワークの妥当性が裏付けられた。
• 10%の分数帯域幅を達成したため、UWBおよびミリ波応用に適した広帯域非再帰的動作が実現された。
• ポートインピーダンスのチューニングを施さずに、TX-ANT損失（S21）、ANT-RX損失（S32）、およびTX-RX隔離度（S31）という重要な指標が最適化された。
• 本研究は、信号経路内にアクティブデバイスを含まないため、非線形歪みおよびノイズが低減されるため、スイッチド伝送線路が高線形性および高周波数動作を実現可能であることを確認した。