D/A interface for vector modulator matrix

Abstract

This thesis is a part of the cooperation project of the European Space Agency (ESA) and VTT. The project is a part of a program to develop a global telecommunication network based on the LEO satellite system. A working communication link between the satellite and a solid terrestrial based station calls for an antenna of which radiation pattern is orientable. -The aim of this study was to research and to develop a D/A-interface electronic for a vector modulator matrix which controls the radiation pattern of the antenna. The vector modulator matrix can be divided into two parts: analog and digital. The thesis deals mainly with the digital part, from D/A-converters (DAC) to register and memory management structures. -The first chapter explains the reasons to utilize a D/A-interface and converters for antenna steering. Chapter three contains a comparison of three different DAC types, and there is also considered how well the DACs suit for the application. Based on simulations, a BiCMOS current mode DAC proved to have the smallest area and the lowest power consumption. A prototype of the BiCMOS DAC was fabricated by 1.2 µm process. The linear operation of the fabricated DAC was obtained by a small pull-up resistor but the operational range was narrow. To expand the operational range a buffer amplifier, based on discrete components, was designed and measured, which dropped the DC level of the transient and expanded the operational range by means of a common emitter amplifier. The comparison between the simulations and measurements is in chapter 5. -The final part of the thesis was to design the register level structure of the modulator matrix. The register level structure consists of an interior data bus, an address coding logic and memory registers. The functionality of the register level design was confirmed by simulating the motion of the data from outside the matrix into the modulator cell registers.

AB3:Diplomityö liittyy osana ESA:n ja VTT yhteisprojektiin, jossa tavoitteena on tutkia mahdollisuutta luoda koko maapallon kattava matkapuhelinverkko uusinta satelliittitekniikkaa hyväksi käyttäen. Työn tarkoituksena oli suunnitella antennin säteilykeilanohjaimen digitalisanaloginen rajapinta vektorimodulattorimatriisipiirille, jolla antennin säteilykeilan suuntaavuus saadaan aikaan. Vektorimodulaattorimatriisi voidaan jakaa kahteen osaan: analogiseen ja digitaaliseen. Tämä työ on keskittynyt nimen omaan matriisin digitaaliseen osaan lähtien D/A-muuntimista ja päätyen korkeamman tason rekisteri- ja muistinhallintarakenteisiin. -Työn alussa on perusteltu syitä siihen, miksi D/A-rajapintaa ja D/A-muunninta tarvitaan antenninohjaimessa. Seuraavaksi on verrattu eri D/A-muunnintyyppien soveltuvuutta tarkoitukseen. Tarkastelukriteereinä oli tehonkulutus ja muuntimen vaatima pinta-ala. Kustakin ehdokkaasta on pyritty esittämään sekä teoreettinen että simuloitu toiminta. Simulointitulosten pohjalta verrattiin muunninehdokkaita keskenään. Esitetyistä vaihtoehdoista parhaiten tarkoitukseen soveltui virtamuotoinen D/A-muunnin. -Virtamuotoisista muuntimista verrattiin kolmeen eri transistoriratkaisuun perustuvaa rakennetta. Pienin pinta-ala ja tehonkulutus oli BiCMOS pohjaisella muuntimella, jossa käytettiin binääripainoitteista CMOS kytkintä ja BJT virtaimuria. Binääripainoitteiset virrat muunnettiin jännitteeksi ylösvetovastuksen avulla. -Muuntimen simuloinnit osoittivat, että laaja toiminta-alue saavutettaisiin käyttämällä suurta ylösvetovastusta, mutta ulostulo olisi epälineaarinen. Vastaavasti pieni ylösvetovastus antaisi lineaarisen ulostulon mutta kapean toiminta-alueen. Näiden tietojen pohjalta prosessoitiin ensimmäinen muunninprototyyppi 1.2 µm BiCMOS prosessilla, jonka suoritusarvot mitattiin. Muunnin oli lineaarinen, mutta toiminta-alue oli kapea. Toiminta-alueen laajentamiseksi mitattiin diskreetteihin komponentteihin pohjautuva vahvistinkytkentä, joka laski D/A-muuntimen ulostulon DC jännitetasoa ja laajensi toiminta-aluetta. -Viimeisenä osana työssä on D/A-muuntimista seuraavan tason eli rekisteritason suunnittelu. Rekisteritaso koostuu binääritiedon tallennukseen kuuluvista rekistereistä ja osoitteenkoodauslogiikasta sekä matriisin sisäisestä dataväylästä. Rekisteritason rakenteen toimivuus varmennettiin simuloimalla binääritiedon siirtyminen matriisin ulkopuolelta sisäpuolelle (oheislaiterajapinta) sekä matriisin sisällä matriisisolun ulkopuolelta aina rekistereihin asti.