This dissertation focuses on the implementation of integrating pulse transmitter with wide-band antenna array into a chip by CMOS process for beam-forming in millimeter-wave (mm-wave) active imaging applications. Integrated antenna arrays in this research electrically control and steer radiated-pulse beams towards objects to be imaged.

Among imaging approaches, active imaging method provides more sensitivity compared with passive one since mm-wave transmitted beams of active method can illuminate on relevant imaged portions belonging to the objects. For active imaging purposes such as medical-image diagnosis support applications, an integrated antenna array transmitter with beam-formability enhances radiation signals from imaged objects (cancer cells, teeth, etc.), achieves high resolution, and acquires electrical controllability over scanning angles. Our approach of antenna array integration for active imaging utilizes timed array to achieve pulse beam-formability and controllability of the mm-wave pulse transmitter. It means that radiated beam directions or angles can be controlled by changing inter-element pulse delays of timed-antenna array without rotating the physical antenna array system.

First, we designed and integrated a 100-120-GHz shock wave transmitter with a 54×24 loop antenna array into a 0.25-μm Silicon Germanium BiCMOS chip. The 30-μm×30-μm loop antenna located on the top-metal layer operates as a coil in an integrated mm-wave pulse generator or shock wave generator (SWG). Each of the on-chip SWGs employing under-damped/over-damped conditions to produce mm-wave pulses includes an R-L-C circuit, a bipolar junction transistor (BJT) operated as a switch, and a CMOS inverter chain circuit for shaping the rising edge of the input clock. From the measurement result, we demonstrated the possibility of on-chip loop antenna array integrated together with mm-wave shock wave transmitter towards the purpose of beam-forming by changing power supplies of inverter chains.

Second, we performed a 0.18-μm CMOS fully integrated X-band SWG with an on-chip dipole antenna and a digitally programmable delay circuit for pulse beam-formability. A 9-11-GHz resistorless SWG circuit was designed, fabricated and measured with on-chip meandering antenna and digitally programmable delay circuit (DPDC). The SWG operates based on damping conditions to produce a 0.4-V peak-to-peak (p-p) pulse amplitude at the antenna input terminals in HSPICE simulation. The DPDC was designed to adjust delays of shock-wave outputs for the purpose of steering beams in antenna array systems. The wide-band dipole antenna element designed in the meandering shape is located in the top metal of a 5-metal-layer 0.18-μm CMOS chip. By simulating in Momentum of ADS 2009, the minimum value of antenna's return loss, S11, and antenna's bandwidth (BW) are -19.37 dB and 25.3 GHz, respectively. The measured return loss of a stand-alone integrated meandering dipole is from -26 dB to -10 dB with frequency range of 7.5-12 GHz. In measurements of the SWG with the integrated antenna, a 1.1-mVp-p shock wave with a 9-11-GHz frequency response is received and a 3-ps pulse delay resolution was also obtained. These results prove that our proposed resistorless shock wave generator and the digitally programmable delay circuit are suitable for the purpose of fully integrated pulse beam-forming system.

Finally, from the previous results of the 0.18-μm CMOS chip, we proposed and implemented an on-chip antenna array with 8-dipole elements operating with 117-130-GHz frequency bandwidth. The key improvement of this fabrication is the integration of programmable timed delay monitoring and controlling system with on-chip jitter measuring circuit for the whole array system into the same chip. Also, we proposed a new on-chip dipole antenna whose special geometry is a meandering one working in a wide-band mm-wave regime. This design is the combination of patch antenna and dipole antenna in order to exploit both advantages of two antenna types and also to satisfy the layout design rules. An 8-element dipole array with programmable delay monitor/control circuit, a single meandering dipole antenna, a single SWG with this antenna and an on-chip jitter measuring circuit are integrated in this chip for mm-wave shock wave transmitter system. A peak-to-peak shock wave voltage is about 1.66-V with 9.13-ps shock wave duration in HSPICE simulation at the antenna input terminals. In each of pulse antenna element, a CMOS DPDC is operated with digital input codes to adjust delays of transmitting shock waves. Due to the small propagation delay of 65-nm CMOS process, we performed a less-than-1ps programmable delay circuit and an integrated jitter measuring circuit. This circuit is used to adjust delay differences of generated pulses in order to control the angle of the transmitter's beam form toward corresponding imaging objects. The random jitter distribution and the relative setup time measurements were done by using Advantest T2000 logic test system in VDEC. Measurement for fully integrated mm-wave shock wave transmitter with the meandering dipole antenna array was performed by using a 90-140-GHz standard gain horn antenna, an mm-wave Schottky diode, and the customized set-up for automatically measuring mm-wave radiation patterns. Our measurement results prove that the 65-nm CMOS proposed antenna array can be employed for beam-formability of mm-wave active imaging transmitter.

本論文は「A Fully Integrated CMOS Pulse Transmitter with On-Chip Antenna Array for Millimeter-Wave Imaging (ミリ波イメージングに向けたオンチップ・アレイアンテナ付集積化CMOSパルス送信回路) 」と題し、十~百GHzミリ帯域の電磁波を利用した能動イメージングの応用に向けた広帯域パルス信号発生とオンチップ・アレイアンテナによる送信ビーム偏向制御について研究したもので、英文で記述され八章より構成されている.

第一章は「Introduction and Motivation(序論)」であり、十~百GHzミリ波帯域の能動イメージングの有用性とビーム偏向のための電子制御の可能性について述べることで研究の背景と目的を述べている。

第二章は「Array Antenna and Beam-Forming(アレイアンテナとビーム形成)」と題し、アレイアンテナを構成する際の設計パラメータに基づきアレイアンテナの偏向特性を表すアレイ・ファクタについて計算し、アレイ要素の指向特性とアレイ・ファクタから最終的アレイアンテナの指向性と偏向制御性を予測する設計手法について述べている。具体的にパッチ・アンテナアレイを例に挙げアレイ数と指向性の関係について示している。

第三章は「Integrated Pulse Beam-Forming Transmitter(集積化パルスビーム形成型送信回路)」と題し、集積化に向けたアンテナの候補と集積回路積層構造が電磁波放射に及ぼす影響を論じ、アレイアンテナにパルス列を与えた場合のビーム偏向特性とパルス遅延の関係、アレイアンテナ数とアンテナ利得との関係等、パルス・アレイアンテナの基本特性について論じている。

第四章は「Integrated Shock Wave Generator and Variable Delay Circuits(集積化衝撃波発生器と可変遅延回路)」と題し、LCRダンピング手法に基づくパルス発生器とパルス発生器にトリガー信号を与えるための可変パルス遅延制御回路の設計手法を示している。LCRダンピング手法に基づくパルス発生器ではバイポーラトランジスタによる並列ダンピング回路とMOSトランジスタによる直列ダンピング回路について回路パラメータとパルス波形の関係を明らかにし、可変パルス遅延制御回路については電圧制御型遅延回路とデジタル制御型遅延回路についてその特性と設計手法を述べている。

第五章は「Pulse Array Antenna Transmitter Implementation in 0.25-μm BiCMOS process (0.25μmのバイポーラ-CMOS混載製造技術によるパルス・アレイアンテナ送信器の実装)」と題し、前章で述べたバイポーラトランジスタによる並列ダンピング回路と電圧制御型遅延回路を用いたループ・アレイアンテナ型送信器を試作・評価した結果について述べている。直径が約30μmのループアンテナを54x24個チップ上に集積した試作チップを90-140GHz帯域のホーンアンテナを用いて評価した結果、アレイアンテナの指向性が電圧制御遅延回路の遅延パラメータを変更することでメインビームの方向を制御できることをシミュレーションおよび実験的に示している。

第六章は「Fully Integrated Transmitter Implementation in 0.18-μm CMOS process(0.18μm CMOS製造技術を用いた全集積化送信器の実装)」と題し、第四章で述べた直列ダンピング回路とデジタル制御型遅延回路を用いたミアンダー型ダイポールアンテナによる送信器を試作・評価した結果について述べている。7.4-11.8GHz帯域のパルス電磁波の波形を20dBのホーンアンテナを用いて直接観測し、デジタル制御型遅延回路が3psの分解能で動作していることを実験的に検証し、ビーム偏向制御に応用することが可能であることを述べている。

第七章は「Fully Integrated Antenna Array Implementation in 65-nm CMOS process(65-nm CMOS製造技術を用いた全集積化アレイアンテナ)」と題し、デジタル制御遅延回路、直列ダンピング回路およびダイポール・パッチアンテナを要素回路とし、全8素子のアレイアンテナを65-nm CMOS技術で集積化したチップを試作・評価した結果について述べている。ダイポール・パッチアンテナのリターン・ロス特性と電磁波放射特性のシミュレーション結果、デジタル制御型遅延回路のシミュレーション特性を示した後、パッチ・アンテナ要素回路について電磁波放射の指向性パターンがシミュレーションで予測される双峰性を示していることを実験的に示している。さらに同一チップ上に実装されているジッタ測定回路を用いてデジタル制御型遅延回路の測定を行った結果から、遅延ジッタの標準偏差がデジタルコードのLSB程度に抑えれていることを示し、最後に8素子のダイポールパッチ・アンテナアレイから構成される全集積化送信器の測定結果を示し、デジタル遅延コードを制御することでメインビームの方向が可変となることを実験的に検証している。

第八章は「結論」であり本論文の研究成果をまとめている.

以上、本論文はダンピング型パルス発生器とオンチップ・アンテナをアレイ状に集積し、パルスのトリガータイミングを電気的に制御することで、ミリ波帯域におけるパルス電磁波の電気的ビームフォーミングが実現できることを実験的に示し、全電気的制御によるミリ波パルス能動イメージングの可能性を示したもので電子工学の発展に寄与する点が少なくない.

よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格したものと認められる.