Multiband Dual-Function CMOS RFIC Filter-Switches

این کتاب تئوری، تحلیل و طراحی فیلتر سوئیچ‌های مدار مجتمع فرکانس رادیویی CMOS (RFIC) چند باند دو کاره مایکروویو و امواج میلی‌متری را ارائه می‌کند که قادر به تعویض و فیلتر کردن همزمان هستند که برای چند باند پیشرفته مرتبط هستند. سیستم های RF سوئیچ های معمولی مایکروویو و موج میلی متری فقط برای اهداف سوئیچینگ بدون در نظر گرفتن انتخاب فرکانس یا فیلتر طراحی شده اند. یک فیلتر جداگانه معمولاً برای استفاده با یک سوئیچ برای ارائه عملکرد فیلترینگ مورد نیاز است. این رویکرد طراحی مرسوم از این رو منجر به تلفات بیشتر درج، اندازه بزرگتر و هزینه بالاتر برای سیستم های RF می شود.

سیستم‌های RF که بر روی باندهای متعدد کار می‌کنند، مزایای متعددی را ارائه می‌کنند و قابلیت‌های بیشتری را برای ارتباطات و سنجش نسبت به همتایان تک باند خود ارائه می‌دهند. یک سیستم چند باند همزمان، یک سیستم واحد را قادر می‌سازد تا روی چندین باند به طور همزمان استفاده شود، که منجر به اندازه، هزینه و مصرف بهینه انرژی، همراه با سهولت اجرای سیستم می‌شود. سیستم های چند باند واقعی به اجزای زیادی نیاز دارند تا روی چندین باند به طور همزمان کار کنند، از جمله سوئیچ های چند باند همزمان.

مدارهای مجتمع مایکروویو و موج میلی متری با استفاده از CMOS مبتنی بر سیلیکون (یا BiCMOS مربوطه) RFIC نسبت به مدارهایی که از دستگاه های نیمه هادی مرکب III-V استفاده می کنند، ارزان تر هستند و برای ادغام مستقیم با آی سی های دیجیتال مناسب تر هستند. CMOS RFIC ها همچنین کوچک هستند و مصرف انرژی پایینی دارند و برای سیستم های قابل حمل با باتری مناسب هستند. بر این اساس، CMOS RFIC ها برای سیستم های RF بسیار جذاب هستند و انتخاب اصلی برای بازارهای تجاری بی سیم هستند.

محتوا به شش فصل تقسیم شده است که چهار فصل اول آن فیلترهای باند گذر، بالا گذر و پایین گذر، و همچنین فیلترهای باند گذر چند باند، اصول سوئیچ ها را توضیح می دهد و به آنها اشاره می کند. و معماری های مختلف سوئیچ از جمله سوئیچ های تک قطبی تک پرتابی (SPST)، تک قطبی دو پرتابی (SPDT)، انتقال/دریافت (T/R) و سوئیچ های با ایزوله فوق العاده بالا، اصول و مدل های ماسفت های مورد استفاده در طراحی سوئیچ ها و ملزومات طراحی CMOS RFIC مورد نیاز برای فیلتر سوئیچ های ارائه شده در این کتاب. به نوبه خود، فصل پنجم هسته اصلی کتاب یعنی طراحی، شبیه‌سازی و اندازه‌گیری سوئیچ‌های دو باند SPDT و T/R مختلف CMOS با قابلیت تعویض و فیلتر همزمان را به عنوان نمونه‌هایی برای توضیح طراحی ارائه می‌کند. فیلتر سوئیچ چند باند دو کاره. این قطعات در دو باند فرکانسی مختلف با محوریت تقریباً 40 و 60 گیگاهرتز و 24 و 60 گیگاهرتز کار می کنند. در نهایت، خلاصه و نتیجه گیری در فصل 6 ارائه شده است.

This book presents the theory, analysis, and design of multiband dual-function microwave and millimeter-wave CMOS radio frequency integrated circuit (RFIC) filter-switches capable of simultaneous switching and filtering, which are relevant for advanced multiband RF systems. Typical microwave and millimeter-wave switches are designed only for switching purposes without considering frequency selectivity or filtering. A separate filter is normally needed to be used with a switch to provide a filtering function. This conventional design approach hence leads to higher insertion loss, larger size and higher cost for RF systems.

RF systems operating over multiple bands provide numerous advantages and offer more capabilities for communications and sensing than their single-band counterparts. A concurrent multiband system enables one single system to be used over multiple bands simultaneously, leading to optimum size, cost, and power consumption, together with ease of system implementation. Truly concurrent multiband systems require many components to work on multiple bands simultaneously, including concurrent multiband switches.

Microwave and millimeter-wave integrated circuits using silicon-based CMOS (or related BiCMOS) RFICs are less expensive and better suited to direct integration with digital ICs than those using III-V compound semiconductor devices. CMOS RFICs are also small and offer low power consumption, making them suitable for portable battery-operated systems. Accordingly, CMOS RFICs are very attractive for RF systems and are the principal choice for commercial wireless markets.

The content is divided into six chapters, the first four of which describe and address band-pass, high-pass, and low-pass filters, as well as multiband band-pass filters, the fundamentals of switches, and various switch architectures including single-pole single-throw (SPST), single-pole double-throw (SPDT), transmit/receive (T/R), and ultra-high-isolation switches, the fundamentals and models of MOSFETs used in the design of switches, and the essentials of CMOS RFIC design needed for the filter-switches presented in this book. In turn, the fifth chapter presents the core of the book, namely the design, simulation, and measurement of various CMOS dual-band dual-function SPDT and T/R switches capable of concurrent switching and filtering, as examples to illustrate the design of multiband dual-function filter-switches. These components operate in two different frequency bands centered at approximately 40 and 60 GHz and 24 and 60 GHz. Lastly, a summary and conclusion are provided in Chapter 6.