Design and development of millimeter-wave voltage-controlled oscillators for 5G/6G transceivers

Abstract

Global regulations for short-range communication systems enable unlicensed access to several gigahertz of spectrum in the millimeter-wave (mm-wave) domain, particularly around the 30 GHz and 60 GHz frequency bands. These bands are highly attractive for modern wireless applications due to their capability to support high data rates and low latency, making them key enablers for next-generation communication and sensing systems such as 5G, FMCW radar, and WiGig. The 30 GHz range is closely associated with 5G New Radio (NR) FR2, spanning approximately 24–40 GHz, while the 60 GHz band offers up to 9 GHz of available unlicensed bandwidth (57–66 GHz) for short-range, multi-gigabit applications such as IEEE 802.11ad/ay (WiGig) and high-speed wireless connectivity. Recent advances in submicron CMOS technologies have enabled the realization of mm-wave radio-frequency integrated circuits (RFICs) at low cost and with high levels of integration. In this context, this dissertation investigates the analysis and design of voltage-controlled oscillators (VCOs) operating in the 30 GHz and 60 GHz frequency bands, with emphasis on performance optimization and key design trade-offs.At 30 GHz, an inductively coupled LC VCO employing a dual-tapped transformer and independent gate/drain biasing is designed, fabricated, and experimentally validated in a 40-nm CMOS process. The proposed oscillator achieves a 15.9% tuning range (25.47–29.88 GHz), a phase noise of −107.66 dBc/Hz at 1 MHz offset, while consuming 6.3 mW from a 1.1 V supply, resulting in a FoM of −187 dBc/Hz and FoMT of −191.8 dBc/Hz. In addition, a dual-band switchless VCO architecture is proposed, demonstrating a continuous tuning range of 27.23–40.32 GHz (38.75%) across 24 sub-bands, with simulated phase noise better than −98.23 dBc/Hz at 1 MHz offset, output power ranging from −5.2 dBm to −0.2 dBm, and power consumption of 8.1 mW.At 60 GHz, multiple VCO architectures are investigated, including designs based on frequency multiplication techniques as well as a fundamental-frequency VCO. A second-harmonic tail-extraction VCO operates from 52.7–64.98 GHz, achieving phase noise between −102.3 and −96.3 dBc/Hz at 1 MHz offset, with output power from −13 to −9 dBm and power consumption of 21.8 mW. In addition, a dual-core switchless VCO architecture is proposed, demonstrating a tuning range of 50.25–73 GHz (37%), with phase noise between −99.2 and −92.1 dBc/Hz and power consumption below 11.3 mW. Finally, a fundamental 60-GHz inductively-coupled VCO operates from 56.60–65.52 GHz (14%), achieving phase noise between −96.2 and −92.5 dBc/Hz, output power above −7 dBm, and power consumption of 14.1 mW. All circuits are implemented in a 40 nm CMOS technology, achieving compact chip area and low power consumption. The presented designs exhibit competitive and, in several cases, state-of-the-art performance compared to previously reported works, demonstrating the suitability of CMOS technology for cost-efficient and high-performance mm-wave transceivers.

Οι διεθνείς κανονισμοί για συστήματα ασύρματης επικοινωνίας μικρής εμβέλειας επιτρέπουν την ελεύθερη χρήση αρκετού φάσματος στη ζώνη των χιλιοστομετρικών συχνοτήτων, ιδιαίτερα γύρω από τις συχνότητες των 30 GHz και 60 GHz. Οι ζώνες αυτές είναι ιδιαίτερα ελκυστικές για σύγχρονες ασύρματες εφαρμογές λόγω της ικανότητάς τους να υποστηρίζουν υψηλούς ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων και χαμηλή καθυστέρηση, καθιστώντας τες βασικούς παράγοντες για συστήματα επικοινωνίας και αίσθησης νέας γενιάς, όπως το 5G, το ραντάρ FMCW και το WiGig. Η περιοχή των 30 GHz συνδέεται στενά με το 5G New Radio (NR) FR2, καλύπτοντας περίπου 24–40 GHz, ενώ η ζώνη των 60 GHz προσφέρει έως και 9 GHz αδειοδοτημένου εύρους ζώνης (57–66 GHz) για εφαρμογές κοντινής εμβέλειας πολλαπλών Gbps, όπως το IEEE 802.11ad/ay (WiGig) και η υψηλής ταχύτητας ασύρματη συνδεσιμότητα. Οι πρόσφατες εξελίξεις στις πρόσφατες τεχνολογίες CMOS έχουν καταστήσει δυνατή την υλοποίηση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ραδιοσυχνοτήτων (RFICs) σε χιλιοστομετρικές συχνότητες με χαμηλό κόστος και υψηλό βαθμό ολοκλήρωσης. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή εξετάζει την ανάλυση και σχεδίαση ταλαντωτών ελεγχόμενων από τάση (VCOs) που λειτουργούν στις ζώνες των 30 GHz και 60 GHz, με έμφαση στη βελτιστοποίηση της απόδοσης και στους βασικούς σχεδιαστικούς συμβιβασμούς. Στα 30 GHz, σχεδιάστηκε, υλοποιήθηκε και μετρήθηκε σε τεχνολογία CMOS 40 nm ένας LC VCO με επαγωγική σύζευξη, μετασχηματιστή διπλής λήψης και ανεξάρτητη πόλωση πύλης/απαγωγού. Ο ταλαντωτής επιτυγχάνει εύρος συντονισμού 15.9% (25.47–29.88 GHz), θόρυβο φάσης −107.66 dBc/Hz σε απόσταση 1 MHz, με κατανάλωση 6.3 mW από τροφοδοσία 1.1 V, επιτυγχάνοντας δείκτες FoM −187 dBc/Hz και FoMT −191.8 dBc/Hz. Επιπλέον, προτείνεται μία διζωνική αρχιτεκτονική VCO χωρίς χρήση RF διακοπτών (switchless), η οποία επιτυγχάνει συνεχές εύρος συντονισμού 27.23–40.32 GHz (38.75%) σε 24 υποζώνες, με προσομοιωμένο θόρυβο φάσης καλύτερο από −98.23 dBc/Hz σε απόσταση 1 MHz, ισχύ εξόδου από −5.2 dBm έως −0.2 dBm, και κατανάλωση 8.1 mW.Στα 60 GHz, μελετώνται πολλαπλές αρχιτεκτονικές VCO, συμπεριλαμβανομένων υλοποιήσεων βασισμένων σε τεχνικές πολλαπλασιασμού συχνότητας, καθώς και ενός θεμελιώδους ταλαντωτή. Ένας ταλαντωτής με εξαγωγή δεύτερης αρμονικής λειτουργεί στο εύρος 52.7–64.98 GHz, επιτυγχάνοντας θόρυβο φάσης μεταξύ −102.3 και −96.3 dBc/Hz σε απόσταση 1 MHz, με ισχύ εξόδου από −13 έως −9 dBm και κατανάλωση 21.8 mW. Επιπλέον, προτείνεται μία διπλού πυρήνα, χωρίς διακόπτες, αρχιτεκτονική, η οποία επιτυγχάνει εύρος συντονισμού 50.25–73 GHz (37%), με θόρυβο φάσης μεταξύ −99.2 και −92.1 dBc/Hz και κατανάλωση μικρότερη από 11.3 mW. Τέλος, ένας θεμελιώδης ταλαντωτής στα 60 GHz λειτουργεί στο εύρος 56.60–65.52 GHz (14%), επιτυγχάνοντας θόρυβο φάσης μεταξύ −96.2 και −92.5 dBc/Hz, ισχύ εξόδου μεγαλύτερη από −7 dBm, και κατανάλωση 14.1 mW. Όλα τα κυκλώματα υλοποιούνται σε τεχνολογία CMOS 40 nm, επιτυγχάνοντας μικρή επιφάνεια ολοκλήρωσης και χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Τα προτεινόμενα κυκλώματα παρουσιάζουν ανταγωνιστική και, σε αρκετές περιπτώσεις, κορυφαία επίδοση σε σχέση με τη διεθνή βιβλιογραφία, αναδεικνύοντας την καταλληλότητα της τεχνολογίας CMOS για την υλοποίηση αποδοτικών και υψηλής απόδοσης πομποδεκτών.