Design of Ultra-Wideband RF Front-End

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Design of Ultra-Wideband RF Front-End
BERKELEY  博士论文
Professor Robert W. Brodersen, Chair
Professor Ali M. Niknejad
Professor Paul K. Wright
Contents ii
List of Figures v
List of Tables x
Acknowledgements xi
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Research Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Thesis Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Ultra-Wideband System Architectures 9
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 UWB Radio Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Non-coherent Receiver 1: Peak Detector . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Non-coherent Receiver 2: Transmitted Reference . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Coherent Receiver 1: Analog Correlator . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.4 Coherent Receiver 2: Digital Correlator . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 IEEE 802.15.3a Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Circuit Modeling Methodology for Ultra-Wideband Antennas 18
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Modeling Omnidirectional Small Transmitting Antennas . . . . . . . . . . . 20
3.2.1 Modeling a Small Dipole Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
ii
3.2.2 Modeling a Large Current Radiator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.3 Modeling a Circular Dipole Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Modeling Omnidirectional Small Receiving Antennas . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Measurement Results of Monopole Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 Pulse Generator Design for below 1GHz UWB Systems 45
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Characteristics of UWB Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Review of UWB Pulse Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4 Low-Power CMOS UWB Pulse Generator Design . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4.1 H-bridge Circuit and O®-Chip Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.2 Timing Circuitry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4.3 Pre-driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.6 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5 Low-Noise Ampli¯er Design for below 1GHz UWB Systems 80
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2 Review of Traditional Wideband Ampli¯ers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3 Shunt-Feedback/Common-Gate Hybrid LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.1 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.2 Design and Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6 Low-Noise Ampli¯er Design for 3-10GHz UWB Systems 99
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2 Output Load Design for UWB LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.3 Interstage Matching Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.4 Input Stage Design of the LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.4.1 The Bode-Fano Criterion and LNA Input Matching . . . . . . . . . 106
iii
6.4.2 Noise Figure of the LNA Input Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.4.3 Gain of the LNA Input Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.4.4 Design of Matching Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.5 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.6 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7 Conclusion 125
7.1 Research Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.1 System Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.2 Robust Antenna Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.2.3 UWB LNA Design with More Advanced Technology . . . . . . . . . 127
Bibliography 128
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
iv

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Professor Robert W. Brodersen, Chair
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Professor Paul K. Wright
Contents ii
List of Figures v
List of Tables x
Acknowledgements xi
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Research Goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Thesis Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Ultra-Wideband System Architectures 9
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 UWB Radio Architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Non-coherent Receiver 1: Peak Detector . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Non-coherent Receiver 2: Transmitted Reference . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Coherent Receiver 1: Analog Correlator . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.4 Coherent Receiver 2: Digital Correlator . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 IEEE 802.15.3a Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Circuit Modeling Methodology for Ultra-Wideband Antennas 18
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Modeling Omnidirectional Small Transmitting Antennas . . . . . . . . . . . 20
3.2.1 Modeling a Small Dipole Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
ii
3.2.2 Modeling a Large Current Radiator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.3 Modeling a Circular Dipole Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Modeling Omnidirectional Small Receiving Antennas . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Measurement Results of Monopole Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 Pulse Generator Design for below 1GHz UWB Systems 45
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Characteristics of UWB Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Review of UWB Pulse Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4 Low-Power CMOS UWB Pulse Generator Design . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4.1 H-bridge Circuit and O®-Chip Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4.2 Timing Circuitry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4.3 Pre-driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.6 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5 Low-Noise Ampli¯er Design for below 1GHz UWB Systems 80
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2 Review of Traditional Wideband Ampli¯ers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3 Shunt-Feedback/Common-Gate Hybrid LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.1 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3.2 Design and Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6 Low-Noise Ampli¯er Design for 3-10GHz UWB Systems 99
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2 Output Load Design for UWB LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.3 Interstage Matching Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.4 Input Stage Design of the LNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.4.1 The Bode-Fano Criterion and LNA Input Matching . . . . . . . . . 106
iii
6.4.2 Noise Figure of the LNA Input Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.4.3 Gain of the LNA Input Stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.4.4 Design of Matching Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.5 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.6 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7 Conclusion 125
7.1 Research Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.1 System Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.2 Robust Antenna Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.2.3 UWB LNA Design with More Advanced Technology . . . . . . . . . 127
Bibliography 128
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一片很好的伯克利大学博士论文，希望可以给大家提供帮助！

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