Design of a SiGe BiCMOS Daisy Chain Block for Ka Band Analog Beamforming

Ka-band satellite communication systems (SATCOM) continue to evolve toward higher throughput and more agile beamforming, which places strong scalability requirements on phased-array front ends. In this context, the RF distribution network becomes a critical bottleneck because it directly affects signal integrity, gain flatness, array scalability, and overall system linearity. Although corporate-feed topologies are widely used, the cumulative splitting loss becomes increasingly significant as the number of elements grows, which degrades system performance and limits array scalability. As an alternative, daisy-chain distribution offers a more scalable signal-routing strategy and can improve gain distribution across the array. However, it also introduces progressive attenuation and loading sensitivity along the chain, requiring active compensation to maintain uniform signal levels and linearity across the outputs. This thesis presents the design and analysis of RX and TX analog daisy-chain blocks implemented in advanced SiGe BiCMOS technology for Ka-band operation. The proposed blocks integrate gain-conditioning and buffering stages to compensate for interstage losses while maintaining signal integrity, linearity, and stable operation in SATCOM phased-array receive and transmit paths. A 3-bit programmable gain stage is included to provide flexible gain control and optimize performance under varying signal conditions. The designed circuits operate over the targeted Ka-band frequency ranges (17.7--21.2~GHz for RX and 27.5--31~GHz for TX) from a 1.8~V supply, achieving a maximum gain of 4~dB with 3-bit programmable gain control while maintaining gain flatness below 1~dB across the bandwidth. Post-layout electromagnetic (EM) simulations demonstrate that the proposed daisy-chain blocks effectively mitigate signal attenuation and loading sensitivity without significant performance degradation, making them a viable solution for scalable phased-array front ends in next-generation SATCOM systems. The analysis includes detailed S-parameter characterization and linearity evaluation through the 1-dB compression point and IP3 metrics to validate the design suitability for high-performance Ka-band applications. Overall, this work confirms that integrating controlled gain within the RF signal path enables efficient and scalable beamforming architectures, making the proposed solution well suited for Ka-band SATCOM phased-array systems.

I sistemi di comunicazione satellitare in banda Ka (SATCOM) continuano a evolversi verso throughput piu elevato e capacita di beamforming piu agile, imponendo forti requisiti di scalabilita ai front-end phased-array. In questo contesto, la rete di distribuzione RF rappresenta un collo di bottiglia critico, poiche influenza direttamente l'integrita del segnale, la gain flatness, la scalabilita dell'array e la linearita complessiva del sistema. Sebbene le topologie corporate-feed siano ampiamente utilizzate, la perdita cumulativa dovuta alla suddivisione di potenza aumenta con il numero di elementi, degradando le prestazioni e limitando la scalabilita dell'array. Come alternativa, la distribuzione daisy-chain offre una strategia di instradamento del segnale piu scalabile e puo migliorare la distribuzione del guadagno lungo l'array. Tuttavia, essa introduce attenuazione progressiva e sensibilita al carico lungo la catena, richiedendo compensazione attiva per mantenere livelli di segnale uniformi e linearita alle uscite. Questa tesi presenta la progettazione e l'analisi di blocchi analogici RX e TX in architettura daisy-chain, implementati in tecnologia SiGe BiCMOS avanzata per operazione in banda Ka. I blocchi proposti integrano stadi di gain-conditioning e buffering per compensare le perdite interstadio, mantenendo integrita del segnale, linearita e funzionamento stabile nei percorsi phased-array di ricezione e trasmissione SATCOM. E inoltre incluso uno stadio di guadagno programmabile a 3 bit, che consente un controllo flessibile del guadagno e l'ottimizzazione delle prestazioni al variare delle condizioni operative. I circuiti progettati operano negli intervalli di frequenza target in banda Ka (17.7--21.2~GHz per RX e 27.5--31~GHz per TX) con alimentazione a 1.8~V, raggiungendo un guadagno massimo di 4~dB con controllo programmabile a 3 bit e mantenendo una gain flatness inferiore a 1~dB sull'intera banda. Le simulazioni elettromagnetiche (EM) post-layout dimostrano che i blocchi daisy-chain proposti mitigano efficacemente attenuazione del segnale e sensibilita al carico senza degradazioni prestazionali significative, risultando una soluzione valida per front-end phased-array scalabili di nuova generazione nei sistemi SATCOM. L'analisi include una caratterizzazione dettagliata dei parametri S e la valutazione della linearita mediante il punto di compressione a 1~dB e l'IP3, al fine di validare l'idoneita del progetto per applicazioni Ka-band ad alte prestazioni. Nel complesso, questo lavoro conferma che l'integrazione di un controllo di guadagno lungo il percorso RF consente architetture di beamforming efficienti e scalabili, rendendo la soluzione proposta adatta ai sistemi SATCOM phased-array in banda Ka.