MILLIMETER WAVE SYSTEM­IN­PACKAGEMODULES

EEMELI workshop, 16.8.2010Pertti JärvensivuVTT Technical Research Centre of Finland

216/08/2010

OUTLINE§ Introduction§ Antennas§ Nonlinear effects§ Analog transceiver circuits§ LTCC integration platform§ 60 GHz radio link demonstrator§ Design tools§ Measurement and testing facilities§ LTCC prototyping§ International cooperation§ Publications§ Contact information

LTCC = low temperature co­fired ceramic

316/08/2010

INTRODUCTION§ Key techniques and technologies in low cost millimetre wave radio systems§ Frequency bands from about 60 GHz to 95 GHz§ Transceiver integration on CMOS and LTCC§ Applications

§ Very high data rate wireless local and personal area networks (WLAN/WPAN)§ Uncompressed high­definition video and multimedia transmission§ Wireless video area networks (WVAN)§ Near field communications (NFC)§ Millimetre wave identification (MMID)§ Wireless backhaul for cellular networks§ Anti­collision and handheld radars§ Traffic control and monitoring systems§ Passive millimetre wave imaging§ Environmental measurements and monitoring

CMOS = complementary metal­oxide semiconductorLTCC = low temperature co­fired ceramic

416/08/2010

ANTENNAS

Aperture­coupled microstrip patch antenna (ACMPA)arrays on embedded­cavity low temperature co­firedceramic (LTCC) substrates

§ 4×4 antenna array§ Centre frequency: 60.8 GHz§ ­10 dB impedance bandwidth: 5.8 GHz§ Maximum gain: 18.2 dBi§ Back­radiation: ­19.2 dBi§ ­3 dB beamwidth: 19.7°

Two­sided cavity structure

theta (deg)theta (deg)

sim. 60 GHzmeas. 61 GHz

­180 ­140 ­100 ­60 ­20 20 60 100 140 180­60

­50

­40

­30

­20

­10

0

10

20

­180 ­140 ­100 ­60 ­20 20 60 100 140 180­60

­50

­40

­30

­20

­10

0

10

20E­plane H­plane

Gai

n (d

B)

Gai

n (d

B)

sim. 60 GHzmeas. 61 GHz

theta (deg)theta (deg)

sim. 60 GHzmeas. 61 GHz

­180 ­140 ­100 ­60 ­20 20 60 100 140 180­60

­50

­40

­30

­20

­10

0

10

20

­180 ­140 ­100 ­60 ­20 20 60 100 140 180­60

­50

­40

­30

­20

­10

0

10

20E­plane H­plane

Gai

n (d

B)

Gai

n (d

B)

sim. 60 GHzmeas. 61 GHz

Gain patterns for 4×4 array with large embeddedcavity and Wilkinson feed network

a) Radiating patches, b) reactive feed network,c) Wilkinson feed network

516/08/2010

ANTENNAS

§ 60 GHz 64­element array with Wilkinson power dividers§ Simulated maximum gain 24 dBi (no feed network)§ ­3 dB beamwidth about 11°§ Feed network losses about 3 dB

Simulated radiation patterns of 60 GHz64­element array

25 m

m

60 GHz end­fire antenna§ Size:  3×4×0.39 mm3

§ Mounted on V­connector for radiation pattern testing

616/08/2010

ANTENNAS§ Dielectric lens antennas for high­gain

beamsteering antenna§ Directivity  27 dBi§ Beamsteering resolution  2°§ Lens diameter 10 cm

§ In cooperation with Aalto University and Institutd’électronique et de télécommunications deRennes (IETR), France

Teflon lens for beamsteeringdemonstration at 77 GHz

Ray­path illustrations from different feed elements

Ray­tracing simulation results demonstratingbeamsteering resolution with designed lens

716/08/2010

NONLINEAR EFFECTS

§ Distortions in signal constellation§ Reduced gain§ Rotation§ Blurring§ Warping

§ Distortions in antenna radiation pattern§ Reduced gain§ Error in direction of main lobe§ Increased side lobes

0°

15°

30°

45°

60°75°90°105°

120°

135°

150°

165°

±180°

­165°

­150°

­135°

­120°­105° ­90° ­75°

­60°

­45°

­30°

­15°

13579

0°

15°

30°

45°

60°75°90°105°

120°

135°

150°

165°

±180°

­165°

­150°

­135°

­120°­105° ­90° ­75°

­60°

­45°

­30°

­15°

13579

0°

15°

30°

45°

60°75°90°105°

120°

135°

150°

165°

±180°

­165°

­150°

­135°

­120°­105° ­90° ­75°

­60°

­45°

­30°

­15°

13579

­1.5 ­1 ­0.5 0 0.5 1 1.5

­1.5

­1

­0.5

0

0.5

1

1.5

In­phase Amplitude

Qua

drat

ure 

Am

plitu

de

Warping in 16­QAM signal

Array factor (upper left), 3D array factor (upper right).Distorted array factors with error in progressive phase

shift (lower left) and amplitude distortion in antennaelements (lower right).

816/08/2010

ANALOG TRANSCEIVER CIRCUITS

§ Prototype circuits for 60 GHz frequency band§ STMicroelectronics’90 nm CMOS process§ Oscillators, amplifiers, frequency doubler,

phase switch, Lange coupler, mixers

­­8528­3100 GHz p­p fixed

­­9027­360 GHz fixed

20­9027­360 GHz VCO

20N.A.27­2.530 GHz VCO

Tuning range[MHz]

Phase noise[dBc/sqrt(Hz) @ 1 MHz]

Pin[mW]

Pout[dBm]

Ref ­30 dBm Ext MixMkr1  60.85 GHz

­42.01 dBmPeakLog10dB/

W1S2S3 FCA AA

Center 60.85 GHz#Res BW 100 kHz VBW 100 kHz

Span 5 GHzSweep 644.2 ms (401 pts)

1

Center60.85000000 GHz

Measured spectrum of 60 GHz oscillator

Measured performance of designed oscillatorsPhotograph of 60 GHz oscillator

916/08/2010

ANALOG TRANSCEIVER CIRCUITS§ Frequency doubler from 30 GHz to 60 GHz§ Size: 1.0 mm × 0.7 mm§ Conversion loss: 7 dB§ Output power: ­ 4.2 dBm (sat.)§ Frequency range: from 57 GHz to 64 GHz§ Fundamental suppression: 11 dB

Conversion loss and fundamental suppression Conversion loss with 0 dBm input power

1016/08/2010

ANALOG TRANSCEIVER CIRCUITS§ Resistive downconversion mixer§ Mixer core§ Buffer amplifier§ Marchand balun

§ Size: 0.2 mm × 0.25 mm§ Differential conversion gain: 9.8 dB§ IF bandwidth: 400 MHz

Measured (blue) and simulated (green) conversion gain Measured input match of LO and RF ports

1116/08/2010

ANALOG TRANSCEIVER CIRCUITS§ Low noise amplifier (LNA)§ Gain: 16.0 dB§ Noise figure: from 6.5 to 7.5 dB§ Frequency band: from 52 GHz to 72 GHz§ Supply voltage: 1 V§ Power consumption: 70 mW

Measured (blue) and simulated (red) gain Measured (blue) and simulated (red) noise figure

1216/08/2010

ANALOG TRANSCEIVER CIRCUITS

§ Medium power amplifier (MPA)§ Gain: 9.1 dB§ Noise figure: from 5.5 to 6.0 dB§ Frequency band: from 60 GHz to 66 GHz§ Output power: 9.5 dBm (sat.)§ Power consumption: 70 mW

Measured (blue) and simulated (red) gain Measured input/output power relationship

1316/08/2010

LTCC INTEGRATION PLATFORM

§ LTCC substrate technology for antenna modules§ Integrated antenna elements§ Flip­chip assembly of MMIC devices using Au bumps§ BGA mounting on printed circuit board

LTCC = low temperature co­fired ceramicMMIC = millimetre wave integrated circuitBGA = ball grid array

1416/08/2010

60 GHz RADIO LINK DEMONSTRATOR§ Low temperature co­fired ceramic

(LTCC) platform§ Compact size§ Flip­chip technology§ Integrated antennas

§ In cooperation with Aalto University

LO = local oscillatorPA = power amplifierECDL = Electronics circuit design laboratoryOCP = output compression point

1516/08/2010

DESIGN TOOLS§ Circuit and system design§ Mentor Graphics Design environment§ IC, DA, ADVance MS (ELDO/Modelsim), VHDL§ Calibre DRC & LVS, PEX

§ Cadence Design environment§ Layout, schematic, DRC, LVS

§ AWR APLAC and Microwave Office, Visual System Simulator§ Agilent ADS and Genesys§ Smartspice, Utmost§ MATLAB/Simulink

§ Electromagnetic simulators§ IE3D§ XFDTD§ Ansoft HFSS§ Sonnet

1616/08/2010

MEASUREMENT AND TESTING FACILITIES

On wafer testing§ S­parameters: 0­110 GHz, 140­220 GHz, 220­325 GHz§ Noise parameters: 50­110 GHz§ Noise figure: 0­110GHz, 140­220 GHz, up to 300 GHz§ Cryogenic S­parameters and NF: 0­110 GHz (Tamb>20K)

Other testing capabilities§ S­parameters (narrow band) up to 700 GHz§ Spectrum analysis up to 325 GHz§ Power measurements up to 1000 GHz§ Antenna testing: 17 m anechoic chamber (40 GHz),

compact range up to 650 GHz

1716/08/2010

LTCC PROTOTYPING§ High quality equipment§ USHIO MP­8200 punching machine§ Baccini printer with auto visual alignment§ PTC isostatic laminator§ PTC manual lab cutter 8”× 8”§ Sierratherm firing furnace§ Disco dicing machine§ Lumonics Laser

§ Multi­panel format 114 mm × 114 mm§ Lower cost format 50 mm × 50 mm§ Several material systems§ Prototyping cycle typically 2­4 weeks§ Minimum 100  m vias, 100  m lines (photo imaged 50  m lines )§ Contacts to material suppliers and LTCC mass producers

1816/08/2010

INTERNATIONAL COOPERATION

§ Aalto University, Finland§ Berkeley Wireless Research Center (BWRC), USA§ STMicroelectronics, France§ Institut d’électronique et de télécommunications de Rennes (IETR), France§ University of Nice Sofia Antipolis (UNSA), France§ Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes ­ Centre National de

la Recherche Scientifique (LAAS­CNRS ), France

1916/08/2010

PUBLICATIONS

§ A. Lamminen, J. Säily, and A. Vimpari, “Design and processing of 60 GHz antennas on low temperatureco­fired ceramic (LTCC) substrates,”in Proc. 4th ESA Workshop on Millimetre­Wave Technology andApplications, Espoo, Finland, February 15­17, 2006, pp. 43–48.

§ A. Vimpari, A. Lamminen, and J. Säily, “Design and measurements of 60 GHz probe­fed patch antennason low­temperature co­fired ceramic substrates,”in Proc. 36th European Microwave Conf., Manchester,UK, September 10­15, 2006, pp. 854–857.

§ T. Karttaavi and J. Holmberg, “100 GHz push­push oscillator in 90 nm CMOS technology,”in Proc.European Microwave Integrated Circuit Conference (EuMIC 2007), Munich, Germany, October 8­10,2007, pp. 112–114.

§ M. Kantanen, J. Holmberg, T. Karttaavi, and J. Volotinen, “60 GHz frequency conversion 90 nm CMOScircuits,”in Proc. 3rd European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC 2008), Amsterdam,The Netherlands, October 27­28, 2008, pp. 60–63.

§ A. Mämmelä, M. Kiviranta, and H. Paaso, “Nonlinear phenomena in beamforming”(invited paper), inProc. XXIX URSI General Assembly 2008. [Online]. Available: http://cnfrs.institut­telecom.fr/pages/pages_ursi/URSIGA08/papers/C03p7.pdf

§ A. E. I. Lamminen, J. Säily, and A. R. Vimpari, “60 GHz patch antennas and arrays on LTCC withembedded­cavity substrates,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 56, pp. 2865–2874,September 2008.

§ T. Karttaavi, M. Kiviranta, A. Lamminen, A. Mämmelä, J. Säily, A. Vimpari, and P. Järvensivu, “Antennaand assembly techniques for cost­effective millimeter­wave radios,”in Short­Range WirelessCommunications–Emerging Technologies and Applications, R. Kraemer and M. Katz, Eds. Chichester:John Wiley & Sons, 2009.

2016/08/2010

PUBLICATIONS

§ A. Lamminen, J. Säily, R. Sauleau, and Ngoc Tinh Nguyen, “Beam­switching lens antenna at 60 GHzfor gigabit data rate wireless indoor connections,”in Proc. 5th ESA Workshop on Millimetre WaveTechnology and Applications & 31st ESA Antenna Workshop, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands,May 18­20, 2009.

§ A. E. I. Lamminen, A. R. Vimpari, and J. Säily, “UC­EBG on LTCC for 60­GHz frequency band antennaapplications,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 57, pp. 2904–2912, October 2009.

§ M. Kiviranta, A. Mämmelä, H. Paaso, M. Höyhtyä, and I. Moilanen, ”Digital signal design and nonlineardistortions in antenna array beamforming,”in Proc. IEEE Wireless Communications and NetworkingConference (WCNC 2009), Budapest, Hungary, April 5­8, 2009.

§ M. Kantanen, T. Karttaavi, J. Holmberg, and J. Volotinen, “60 GHz receiver circuits using 90 nmCMOS,”in Proc. 5th ESA Workshop on Millimetre Wave Technology and Applications & 31st ESAAntenna Workshop, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, May 18­20, 2009.

§ A. Lamminen and J. Säily, “Wideband millimetre wave end­fire antenna and array for wireless short­range applications,”in Proc. European Conference on Antennas and Propagation 2010 (EuCAP 2010),Barcelona, April 12­16, 2010.

§ J. Ala­Laurinaho, A. Karttunen, J. Säily, A. Lamminen, R. Sauleau, and A. V. Räisänen, “Mm wave lensantenna with an integrated LTCC feed array for beam steering,”in Proc. European Conference onAntennas and Propagation 2010 (EuCAP 2010), Barcelona, April 12­16, 2010.

§ A. Lamminen and J. Säily, ”77 GHz beam­switching high­gain end­fire antenna on LTCC,”submitted to20th International Conference on Applied Electronics and Communications (ICECom 2010), Dubrovnik,Croatia, September 20­23, 2010.

2116/08/2010

CONTACT INFORMATION

§ Pertti Järvensivu, Project ManagerTeam Manager, Communication Platforms§ Mail address: VTT, P.O. Box 106, FI­20521 Turku§ Visiting address: Itäinen pitkäkatu 4 C, Turku§ Email: pertti.jarvensivu@vtt.fi§ Telephone: +358 20 722 2350

2216/08/2010

VTT creates business fromtechnology