MILLIMETER-WAVE CONCURRENT DUAL-BAND BiCMOS RFIC TRANSMITTER FOR RADAR AND COMMUNICATION SYSTEMS

Luận án tiến sĩ về thiết kế bộ phát RFIC BiCMOS băng tần kép cho radar và hệ thống truyền thông. Nghiên cứu kiến trúc và kỹ thuật mới, nâng cao hiệu suất.

• Tác giả: Cuong Phu Minh Huynh
• Người hướng dẫn: Cam Nguyen, Chair Of Committee
• Trường học: Texas A&M University
• Chuyên ngành: Electrical Engineering
• Đề tài: Millimeter-Wave Concurrent Dual-Band BiCMOS RFIC Transmitter For Radar And Communication Systems
• Loại tài liệu: Dissertation
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: College Station

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế RFIC BiCMOS Cho Radar Truyền Thông

Các hệ thống không dây, bao gồm cả truyền thông và mạng cảm biến dựa trên radar, đóng một vai trò rất quan trọng trong xã hội thông tin hiện nay. Chúng ta có thể dễ dàng truy cập thông tin thoại, dữ liệu và giải trí ở hầu hết mọi nơi trên toàn cầu. Các mạng cảm biến và radar không dây khác nhau đã được sử dụng để thu thập hoặc cảm nhận thông tin từ xa. Các hệ thống băng tần siêu rộng (UWB), dựa trên xung hoặc ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), là các giải pháp tiềm năng cho các yêu cầu của mạng không dây hiện đại. Kỹ thuật OFDM đa băng tần đã được chấp nhận làm tiêu chuẩn công nghiệp cho các hệ thống truyền thông tốc độ dữ liệu rất cao. Các hệ thống UWB truyền và nhận tín hiệu với mật độ phổ công suất cực kỳ thấp trên toàn bộ phổ băng tần siêu rộng.

1.1. Vai Trò Của RFIC BiCMOS Trong Ứng Dụng Radar Truyền Thông

Công nghệ RFIC BiCMOS đóng vai trò then chốt trong việc hiện thực hóa các hệ thống radar và truyền thông không dây hiện đại. Chúng cho phép tích hợp các chức năng mạch tần số vô tuyến (RF) trên một chip duy nhất, giúp giảm kích thước, chi phí và tiêu thụ điện năng. Việc sử dụng công nghệ BiCMOS kết hợp ưu điểm của cả transistor lưỡng cực (BJT) và transistor hiệu ứng trường (MOSFET), mang lại hiệu năng cao và khả năng xử lý tín hiệu hỗn hợp vượt trội. Các ứng dụng của RFIC BiCMOS trong radar bao gồm radar ô tô, radar hình ảnh và hệ thống phát hiện chuyển động. Trong truyền thông, chúng được sử dụng trong các thiết bị di động, mạng không dây và hệ thống vệ tinh.

1.2. Lợi Ích Của Thiết Kế Băng Tần Kép Trong RFIC BiCMOS

Thiết kế băng tần kép trong RFIC BiCMOS mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng hoạt động trên nhiều dải tần số khác nhau, tăng tính linh hoạt và hiệu quả sử dụng phổ tần. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng radar và truyền thông, nơi các hệ thống cần phải giao tiếp với các thiết bị hoặc mạng khác nhau sử dụng các dải tần khác nhau. Ví dụ, một hệ thống radar ô tô băng tần kép có thể sử dụng một dải tần cho phát hiện đối tượng tầm ngắn và một dải tần khác cho phát hiện đối tượng tầm xa. Tương tự, một thiết bị truyền thông băng tần kép có thể hỗ trợ nhiều tiêu chuẩn không dây khác nhau, chẳng hạn như Wi-Fi và Bluetooth.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế RFIC BiCMOS Băng Tần Kép Hiện Nay

Thiết kế RFIC BiCMOS băng tần kép đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật, bao gồm việc đảm bảo hiệu suất cao trên cả hai dải tần, giảm thiểu nhiễu xuyên kênh, và duy trì trở kháng phù hợp. Các thách thức này đòi hỏi các kỹ thuật thiết kế tiên tiến và các mô hình thiết bị chính xác để đạt được các thông số kỹ thuật mong muốn. Ngoài ra, việc thiết kế layout RFIC cũng là một yếu tố quan trọng, vì các hiệu ứng ký sinh có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của mạch.

2.1. Vấn Đề Hiệu Suất Trong Thiết Kế RFIC BiCMOS Băng Tần Kép

Đảm bảo hiệu suất RFIC cao trên cả hai dải tần là một thách thức lớn trong thiết kế RFIC BiCMOS băng tần kép. Các tham số hiệu suất quan trọng bao gồm hệ số khuếch đại, hệ số tạp âm, công suất đầu ra và hiệu suất sử dụng năng lượng. Các mạch cần được thiết kế để hoạt động tối ưu trên cả hai dải tần, điều này có thể đòi hỏi các kỹ thuật bù trừ phức tạp để giải quyết sự thay đổi của các thông số thiết bị theo tần số. Việc tối ưu hiệu suất RFIC thường liên quan đến việc cân bằng các yêu cầu khác nhau, chẳng hạn như hệ số khuếch đại và hệ số tạp âm.

2.2. Giải Quyết Nhiễu Xuyên Kênh Trong Thiết Kế RFIC Băng Tần Kép

Nhiễu xuyên kênh là một vấn đề quan trọng trong thiết kế RFIC Băng Tần Kép, đặc biệt khi hai dải tần gần nhau. Nhiễu có thể xảy ra do sự ghép điện dung hoặc điện cảm giữa các mạch khác nhau trên chip. Để giảm thiểu nhiễu xuyên kênh, cần sử dụng các kỹ thuật che chắn và bố trí cẩn thận. Việc sử dụng các cấu trúc vi dải hoặc khe dẫn sóng có thể giúp cô lập các mạch khác nhau và giảm thiểu sự ghép tín hiệu không mong muốn. Ngoài ra, việc sử dụng các bộ lọc để loại bỏ các tín hiệu ngoài băng tần cũng có thể giúp giảm nhiễu.

III. Kiến Trúc RFIC Mới Cho Radar Và Truyền Thông Băng Tần Kép

Nghiên cứu này giới thiệu các kiến trúc RFIC và kỹ thuật mạch mới để cải thiện hiệu suất của các khối xây dựng RFIC BiCMOS quan trọng được sử dụng trong các hệ thống radar và truyền thông không dây hoạt động ở tần số sóng milimet. Đề xuất một loại balun hoạt động công suất thấp mới bao gồm bộ khuếch đại phát chung với cuộn cảm suy biến và bộ khuếch đại thu chung. Các kỹ thuật trung hòa và bù ký sinh được sử dụng để giữ cho balun cân bằng tốt ở tần số rất cao và trên băng thông cực rộng.

3.1. Thiết Kế Balun Hoạt Động Cường Độ Thấp Cho RFIC BiCMOS

Balun hoạt động cường độ thấp mới bao gồm bộ khuếch đại phát chung với cuộn cảm suy biến và bộ khuếch đại thu chung. Các kỹ thuật trung hòa và bù ký sinh được sử dụng để giữ cho balun cân bằng tốt ở tần số rất cao và trên băng thông cực rộng. Balun đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi tín hiệu đơn sang vi sai hoặc ngược lại, thường được sử dụng trong các mạch RFIC. Thiết kế balun hoạt động giúp giảm thiểu tổn thất tín hiệu và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

3.2. Kiến Trúc RFIC Chuyển Mạch Mới Với Khả Năng Cách Ly Cực Cao

Một kiến trúc RFIC chuyển mạch mới với khả năng cách ly cực cao và khả năng tăng ích được đề xuất, phân tích và chứng minh. Kiến trúc RFIC chuyển mạch mới đạt được khả năng cách ly cực cao thông qua việc triển khai kỹ thuật khử rò rỉ RF mới. Chuyển mạch RF đóng vai trò quan trọng trong việc định tuyến tín hiệu RF trong hệ thống. Khả năng cách ly cao đảm bảo rằng các tín hiệu không mong muốn không bị rò rỉ vào các mạch khác, cải thiện độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống.

IV. Mạng Ghép Trở Kháng Băng Tần Kép Cho Thiết Kế RFIC

Một lớp mạng và kỹ thuật ghép trở kháng băng tần kép đồng thời mới để tổng hợp chúng được trình bày cùng với PA băng tần kép đồng thời 25,5/37 GHz. Các mạng ghép trở kháng này cho phép ghép đồng thời hai tải tùy ý với hai nguồn tùy ý ở hai tần số khác nhau, sử dụng các thuộc tính tương đương trở kháng của mạng LC rằng bất kỳ mạng LC nào cũng có thể tương đương với một cuộn cảm, tụ điện, hở mạch hoặc ngắn mạch ở các tần số khác nhau.

4.1. Tổng Hợp Mạng Ghép Trở Kháng Băng Tần Kép Cho PA

Các mạng ghép trở kháng băng tần kép được tổng hợp để cho phép ghép đồng thời hai tải tùy ý với hai nguồn tùy ý ở hai tần số khác nhau. Điều này cho phép tối ưu hóa hiệu suất của bộ khuếch đại công suất (PA) trên cả hai dải tần. Thiết kế mạng ghép trở kháng đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các thuộc tính của mạng LC và các kỹ thuật tối ưu hóa để đạt được các thông số kỹ thuật mong muốn.

4.2. Ứng Dụng Mạng LC Trong Thiết Kế Ghép Trở Kháng Băng Tần Kép

Các thuộc tính tương đương trở kháng của mạng LC được sử dụng để tổng hợp mạng ghép trở kháng băng tần kép. Bất kỳ mạng LC nào cũng có thể tương đương với một cuộn cảm, tụ điện, hở mạch hoặc ngắn mạch ở các tần số khác nhau. Nguyên tắc này cho phép thiết kế các mạng ghép trở kháng phức tạp có thể hoạt động hiệu quả trên nhiều dải tần. Việc lựa chọn các thành phần LC và cấu hình mạng phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả ghép trở kháng tối ưu.

V. Máy Phát RFIC BiCMOS Băng Tần Kép Cho Radar Sóng Milimet

Máy tạo xung RF rò rỉ cực thấp K- và Ka-band có khả năng tạo ra các xung RF rất hẹp theo thứ tự 200 ps với thời gian tăng và giảm nhỏ cho radar phân giải cao tầm ngắn và các hệ thống truyền thông tốc độ dữ liệu cao cũng được phát triển. Máy phát hoàn chỉnh thể hiện các đặc tính độc đáo thu được từ khả năng tạo ra các xung RF hẹp và có thể điều chỉnh với độ rò rỉ RF cực kỳ cao và hoạt động đồng thời trong hai dải tần ở 24,5 và 35 GHz đã được thiết kế.

5.1. Thiết Kế Máy Tạo Xung RF Cực Hẹp Cho Radar

Máy tạo xung RF rò rỉ cực thấp K- và Ka-band có khả năng tạo ra các xung RF rất hẹp theo thứ tự 200 ps với thời gian tăng và giảm nhỏ. Các xung RF hẹp cho phép radar đạt được độ phân giải cao. Thiết kế máy tạo xung RF đòi hỏi các kỹ thuật mạch tiên tiến để tạo ra các xung có hình dạng và thời gian chính xác.

5.2. Ưu Điểm Của Thiết Kế Máy Phát Băng Tần Kép Đồng Thời

Khả năng tạo ra các xung RF hẹp và có thể điều chỉnh cho phép hệ thống radar hoạt động linh hoạt ở độ phân giải cao và nhiều phạm vi khác nhau. Độ rò rỉ RF cực kỳ thấp cho phép máy phát chia sẻ một hệ thống ăng-ten với máy thu, bật PA mọi lúc, tuân thủ các yêu cầu về phổ truyền, tăng phạm vi động của hệ thống, tránh gây hại cho các hệ thống khác; do đó cải thiện kích thước, chi phí và hiệu suất của hệ thống. Máy phát băng tần kép đồng thời giúp giảm kích thước, chi phí và tiêu thụ điện năng so với việc sử dụng hai máy phát riêng biệt.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Thiết Kế RFIC Tương Lai

Luận án này trình bày các kiến trúc và kỹ thuật mạch mới để cải thiện hiệu suất của các khối chức năng RFIC BiCMOS quan trọng được sử dụng trong radar và các hệ thống truyền thông. Thiết kế một thành phần băng tần kép (bộ khuếch đại công suất) duy nhất để hoạt động với hai tín hiệu RF đồng thời làm giảm diện tích chip, chi phí và mức tiêu thụ điện.

6.1. Tóm Tắt Các Thành Tựu Trong Thiết Kế RFIC BiCMOS

Luận án này đã trình bày các kiến trúc và kỹ thuật mạch mới để cải thiện hiệu suất của các khối chức năng RFIC BiCMOS quan trọng được sử dụng trong radar và các hệ thống truyền thông. Các thành tựu này bao gồm thiết kế balun hoạt động cường độ thấp, kiến trúc RFIC chuyển mạch mới với khả năng cách ly cực cao và mạng ghép trở kháng băng tần kép.

6.2. Hướng Nghiên Cứu RFIC Và Truyền Thông Băng Tần Kép

Các hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật thiết kế RFIC BiCMOS tiên tiến hơn nữa để đạt được hiệu suất cao hơn, kích thước nhỏ hơn và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn. Các lĩnh vực nghiên cứu tiềm năng khác bao gồm việc khám phá các vật liệu và quy trình sản xuất mới để cải thiện hiệu suất của các thiết bị RFIC BiCMOS, cũng như việc phát triển các kiến trúc hệ thống mới cho radar và các hệ thống truyền thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MILLIMETER-WAVE CONCURRENT DUAL-BAND BiCMOS RFIC TRANSMITTER FOR RADAR AND COMMUNICATION SYSTEMS A Dissertation by CUONG PHU MINH HUYNH Submitted to the Office of Graduate Studies of Texas A&M University in partial fulfillment of the requirements for the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY Approved by: Chair of Committee, Cam Nguyen Committee Members, Robert D. Zoghi Head of Department, Chanan Singh December 2012 Major Subject: Electrical Engineering Copyright 2012 Cuong Phu Minh Huynh ABSTRACT This dissertation presents new circuit architectures and techniques for improving the performance of several key BiCMOS RFIC building blocks used in radar and wireless communication systems operating up to millimeter-wave frequencies, and the development of an advanced, low-cost and miniature millimeter-wave concurrent dual- band transmitter for short-range, high-resolution radar and high-rate communication systems. A new type of low-power active balun consisting of a common emitter amplifier with degenerative inductor and a common collector amplifier is proposed. The parasitic neutralization and compensation techniques are used to keep the balun well balanced at very high frequencies and across an ultra-wide bandwidth.

A novel RF switch architecture with ultra-high isolation and possible gain is proposed, analyzed and demonstrated. The new RF switch architecture achieves an ultra-high isolation through implementation of a new RF leaking cancellation technique. A new class of concurrent dual-band impedance matching networks and technique for synthesizing them are presented together with a 25.5/37-GHz concurrent dual-band PA. These matching networks enable simultaneous matching of two arbitrary loads to two arbitrary sources at two different frequencies, utilizing the impedance-equivalence properties of LC networks that any LC network can be equivalent to an inductor, capacitor, open or short at different frequencies.

K- and Ka-band ultra-low-leakage RF-pulse formers capable of producing very narrow RF pulses in the order of 200 ps with small rising and falling ii time for short-range high-resolution radar and high-data-rate communication systems are also developed. The complete transmitter exhibiting unique characteristics obtained from capabilities of producing very narrow and tunable RF pulses with extremely RF leakage and working concurrently in dual bands at 24.5 and 35 GHz was designed. Capability of generating narrow and tunable RF pulses allows the radar system to flexibly work at high and multiple range resolutions. The extremely low RF leakage allows the transmitter to share one antenna system with receiver, turn on the PA at all time, comply the transmitting spectrum requirements, increase the system dynamic range, avoid harming to other systems; hence improving system size, cost and performance.

High data-rate in communication systems is achieved as the consequence of transmitting very narrow RF pulses at high rates. In addition, the dissertation demonstrates a design approach for low chip-area, cost and power consumption systems in which a single dual- band component (power amplifier) is designed to operate with two RF signals simultaneously. iii DEDICATION To my beloved wife Bao-Ngoc Huynh and daughters Minh Thu and Minh Phuong For all their love and unwavering support iv ACKNOWLEDGEMENTS This dissertation would have never been possible without the help of many people. First and foremost, I would like to express my deep gratitude to my advisor, Prof.

Cam Nguyen, for his guidance, encouragement and constant support throughout my doctoral program at TAMU. I would like to specially thank him for bringing me to his research group and giving me faith; hence a comfortableness in doing the research. The academic lessons I have learned from his courses and weekly research meetings have been turning into consolidated knowledge, and then valuable experiences for my professional career. In-life lessons from friendly conversations with him will always be the importance guide I need in whole my life.

His scholarly technical knowledge has been important inspirations to me for new ideas which significantly improve RFIC circuit and system performances, and for the definite shape of the research in this dissertation. I would like to thank him for kindly letting me have the freedom in searching new things beside the main researches. I sincerely thank my committee members, Prof. Robert Nevels, Prof.

Chin Su and Prof. Ben Zoghi for their guidance, comment and support, particularly during my preliminary examination. I am also very grateful to Prof. Silva and Prof.

Sanchez for all that I learned from their courses on broadband systems and CMOS RFIC design. I would like to thank Prof. Kai Chang and Prof. Huff Gregory for their helps in my circuit measurement.

I also want to thank Ms. Tammy Carda for her kind help on all my departmental issues through my Ph. v I would like to send my special thanks to Prof. Vu Dinh Thanh and Prof.

Pham Hong Lien at HoChiMinh City University of Technology, Vietnam for their encouragements and helps. I would like to thank Mr. Chris Liu, senior Manager, and Dr. Xin Guan, senior Staff, at Broadcom Inc., who have given me technical helps during the time I was in an internship at Broadcom Inc.

I would like to thank my former lab-mates, Dr. Rui Xu, Dr. Yalin Jin, Dr. Chirala and Dr.

Sanghun Lee, for their useful technical discussions and helps. My thanks also go to my current lab-mates, Yuan Luo, Sunhwan Jang, Youngman Um, Jaeyoung Lee, Kyoungwoon Kim, Chadi Geha, Donghyun Lee and Juseok Bae, for technical discussions and their jokes. My special and deepest appreciations go out to my family members to whom I owe so much. I thank my parents, Quoc Huynh and Hai Huynh for their love and endless support, not only for several years of my doctoral program but also for my entire life.

I would like to thank my sisters and brothers for their constant encouragement. My appreciation also goes to my mother-in-law for her timely helps. Finally, I would like to thank my beloved wife Bao-Ngoc Huynh and daughters Minh Thu and Minh Phuong for all their love and unwavering support; my life would be meaningless without them beside. I would like to thank the Government of Vietnam for the doctoral fellowship, and the U.

Air Force Office of Scientific Research and U. National Institute of Justice for their finance supports. Special thanks go to Tower-Jazz Semiconductor, Newport Beach, California for the chip fabrication supports. vi TABLE OF CONTENTS Page ABSTRACT.

v TABLE OF CONTENTS. vii LIST OF FIGURES. x LIST OF TABLES. xvii CHAPTER I INTRODUCTION .1 Background and Motivation .2 Short Range Radar System .1 Radar System Overview .2 Short Range Pulse Radar System .3 Transceiver Architecture for Short Range Radar and Communication Systems.

21 CHAPTER II UP-CONVERSION MIXER .3 Active Mixer Analysis .3 Port-to-Port Isolation .5-GHz Mixer Design .1 Single-ended to Differential Active Balun .2 Double-balanced Gilbert Mixer Cell .5-GHz Band Pass Filter .5 Mixer Optimization, Layout and Fabrication .5-GHz Mixer Performance .5 35-GHz Mixer Design .1 35-GHz Mixer Performance. 58 CHAPTER III ULTRA-WIDEBAND ACTIVE BALUN .2 Single-ended to Differential Active Balun Design.1 Circuit and Analysis .2 Design and Fabrication.3 Active Balun Performance .3 Differential to Single-ended Active Balun Design .1 Circuit and Analysis .2 Design and Simulated Result. 90 CHAPTER IV ULTRA-HIGH ISOLATION RF SWITCH .1 CMOS SPST Switch Architectures and Performance .2 Deep-n-well CMOS Transistor with Floating Body .3 Design of Series-Shunt SPST Switch Using Contour Graph .4 Wide-band SPST Switch with Synthetic Transmission Line .5 Ultra-high Isolation Switch Architecture .2 Architecture and Operation .6 10-38-GHz Ultra-high Isolation SPST Switch Design .1 Core-SPST and Off-SPST Switch Design .2 RF Switch Design .3 RF Switch Performance and Discussion. 115 CHAPTER V MILLIMETER-WAVE CONCURRENT DUAL-BAND POWER AMPLIFIER .1 Power Amplifier Fundamentals .4 Class A, B, AB and C Power Amplifiers .3 Challenges of Concurrent Dual-band PA Design at MMW .4 Synthetic Concurrent Dual-band Impedance-Matching Networks .5 K/Ka-band Concurrent Dual-band Power Amplifier Design .1 PA Circuit, Device and Bias .2 Concurrent Dual-band Output Matching Network Design .3 Concurrent Dual-band Inter-stage Matching Network Design .4 Concurrent Dual-band Input Matching Network Design .5 Power Amplifier Layout and Fabrication .6 Dual-band Power Amplifier Performance.

162 CHAPTER VI DESIGN OF SiGe BICMOS CONCURRENT DUAL-BAND TRANSMITTER .2 Concurrent Dual-band Transmitter Architecture and Specifications .1 Transmitter Architecture and Operation.3 Concurrent Dual-band Transmitter Design .1 Image Rejection Filter Design .2 Impulse Generator Design and Measurement .3 Square-Wave Clock Generator Design and Measurement .4 K- and Ka-band RF-pulse Former Design and Measurement .4 Concurrent Dual-band Transmitter Integration and Simulation. 202 CHAPTER VII CONCLUSION. 216 ix LIST OF FIGURES FIGURE Page 1.1 Envisioned connectivity of a 60 GHz wireless network .2 Possible applications of short range automotive radar systems. A radar system consists of three subsystems: a transmitter, a receiver and an antenna system .4 RF pulse signal.

Antenna systems can consist of one antenna using circulator (a) or T/R switch (b), or two separate antennas (c) .6 Basic radar receiver architecture .7 Basic pulsed radar system architecture .8 Illustration of different modulation schemes .9 System architecture used for both radar and communication systems .1 Simple transmitter architecture using up-conversion mixer.2 Ideal multiplier model showing fundamental operation of a mixer .3 Implementation of mixers using nonlinear (a) and switch (b) circuits .4 Active single-balanced mixer (a) and equivalent circuit of the gain stage with base resistance rb, base-collector capacitance c and transconductance gm (b).5 Bipolar square-wave signal representing for the switching operation .6 Double-balanced Gilbert mixer schematic .7 Port-to-port leakage in up-conversion mixer.5-GHz mixer schematic .9 Transistor model including vias S-parameters. C's and L's are very large capacitors and inductors used to block the DC and AC signals .10 Single-ended to differential active balun .11 Double-balanced Gilbert mixer cell .12 Differential amplifier schematic .5-GHz band-pass filter .5-GHz mixer layout (a) and microphotograph (b) .5-GHz mixer input and output return losses .16 Measured and simulated conversion gain versus LO power of 24.17 Measured and simulated conversion gain versus RF frequency of 24.18 Simulated noise figure of 24.5-GHz mixer versus IF frequency .19 Gain and RF output power of 24.5-GHz mixer versus IF input power .20 Isolation and lower sideband suppression of 24.5-GHz mixer versus IF input power .21 Output spectrum of the 24-5-GHz mixer with the IF input power of -20 dBm .22 35-GHz mixer schematic .23 35-GHz mixer layout (a) and microphotograph (b) .24 35-GHz mixer input and output return losses .25 Measured and simulated conversion gains of 35-GHz mixer versus LO power .26 Measured and simulated conversion gains of 35-GHz mixer versus RF frequency .27 Simulated noise figure of 35-Ghz mixer versus IF frequency .28 Gain and RF output power of 35-GHz mixer versus the IF input power .29 Isolation and low sideband suppression of 35-GHz mixer versus IF input power.30 Output spectrum of 35-mixer with the IF input power of -20 dBm .1 Single-ended to differential (a) and differential to single-ended (b) balun models .2 Typical active balun circuits.3 Simplified schematic of proposed single-ended to differential active balun. Input matching and bias circuits are not shown .4 (a) Small-signal HBT model with base resistance rb, emitter resistance re, output resistance ro, base-collector capacitance c, transconductance gm and collector-substrate capacitance ccs. (b) Equivalent circuit of the active balun.

Corresponding small-signal parameters of the transistors are equal Zinb1 = Zinb3, Zb2 = Zb4. Le1 = Le2 = Le3 = Le4 = Le, Lb1 = Lb2 = Lb.5 Magnitude and phase of the balance factor K .6 Complete schematic of the designed active balun .7 Microphotograph of the designed active balun .8 Simulated and measured insertion loss, amplitude difference, phase, and phase difference of the active balun .9 Measured and simulated return losses and measured reverse isolations .10 Simulated amplitude and phase difference with different bias currents .11 Schematic (a) and equivalent circuit (b) of the differential to single-ended active balun .12 Magnitudes of Avd, (1-K) and Avc. (1-K) is not affected by the output matching .13 Simulated differential- and common-mode gain and return losses .1 RF switch model in a 50- network .2 Series SPST switch (a), shunt SPST switch (b), equivalent circuit of series SPST switch (c) and equivalent circuit of shunt SPST switch (d) .3 Series-shunt SPST switch.