I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   9 ,   No .   4 ,  A u g u s t   201 9 ,   p p .   2 7 0 3 ~2 7 1 4   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v9 i 4 . p p 2 7 0 3 - 2714          2703       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e . co m/ jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JE C E   Six - po rt  in terfer o m e ter fo r W - ba n d t ra nsceiv ers :   desig n and  chara cter i z a tion       E m ilia   M o ldo v a n 1 ,   Na zih K ha dd a j   M a lla t 2 ,  Serio j a   O v i diu   T a t u 3   1, 3 In stit u t  Na ti o n a l  d e   la Rec h e rc h e   S c ien ti f iq u e ,   É n e rg ie M a téria u x   e t  T é léc o m m u n ica ti o n s,  Ca n a d a   2 Co ll e g e   o f   En g i n e e rin g ,   A l  A in   Un iv e rsit y   o f   S c ien c e   a n d   T e c h n o lo g y   ( AA U),   Un it e d   A ra b   Em irat e s ( U A E )       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   3 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   Ma r   1 1 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   Mar   19 ,   2 0 1 9       T h e   stu d y   h a s  p re s e n ted   a n   e x ten siv e   a n a l y sis  o f   a n   in teg ra ted   m il li m e ter  w a v e   six - p o rt  i n terf e ro m e ter,  o p e ra ti n g   o v e r  a   1 0   G Hz   b a n d ,   f ro m   8 0   t o   9 0   G Hz .   It  h a s  c o v e re d   b o t h   se m i - u n li c e n se d   p o in t - to - p o i n t   li n k s  ( 8 1 - 8 6   G Hz ),   a n d   im a g in g   se n so r  sy ste m   f re q u e n c ies   (a b o v e   8 5   G Hz ).   A n   in - h o u se   p ro c e ss   is  u se d   to   f a b rica te m in iatu rize d   h y b rid   m il li m e ter wa v e   in teg ra ted   c ircu it s  o n   a   v e r y   th in   c e ra m ic  su b stra te.  T w o - p o rt  S - p a ra m e ter  m e a su r e m e n ts  a re   p e rf o r m e d   o n   a   m in im u m   n u m b e r  o f   c ir c u it s  in teg ra ted   o n   th e   sa m e   d ie,   e x p lo it in g   t h e   c ircu it ’s  p h y sic a l  s y m m e tr y   a n d   c h o se n   t o   c o ll e c t  e n o u g h   d a ta   f o r  f u ll - p o rt   c h a ra c teriz a ti o n .   Ba s e d   o n   th e se   m e a su re m e n ts  o n   a n   in teg ra ted   p ro t o ty p e ,   a   six - p o rt  c ircu it   c o m p u ter  m o d e l  w a s  i m p le m e n ted   a n d   a d v a n c e d   s y ste m   si m u latio n s  w a s  p e r f o rm e d   f o r  c ircu it   a n a ly sis.  In terf e ro m e te r   p e rf o r m a n c e s  e v a lu a ted   u sin g   se v e ra l  m e th o d s: an a ly sis o f   h a r m o n ic b a lan c e ,   q i  p o i n ts’,   h o m o d y n e   q u a d ra tu re   d e m o d u latio n ,   a n d   e rro r   v e c to r  m o d u latio n   (EV M ) .   T h e   a n a l y sis  sh o we d   th a t  th is  c ircu it   c o u l d   d irec tl y   p e r f o r m ,   w it h o u t   a n y   c a li b ra ti o n ,   t h e   d e m o d u lati o n   o f   v a rio u s  P S K  a n d   QA M   sig n a l s  o v e r  th e   1 0   G Hz   b a n d ,   w it h   v e r y   g o o d   re su lt s.   K ey w o r d s :   C o u p ler s   E r r o r   an aly s is   Milli m eter   w av e  in te g r at ed   cir cu its   Six - p o r t te ch n o lo g y   W id eb an d   Co p y rig h t  ©   2 0 1 9   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts re se rv ed .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Naz ih   K h ad d aj   Ma llat ,   C o lleg e  o f   E n g in ee r i n g ,   A l  Ain   U n i v er s it y   o f   Scie n ce   an d   T ec h n o lo g y ,   A l  Ain ,   U n ited   A r ab   E m ir ates  ( UA E ) .   E m ail:  n az ih . m alla t@ aa u . ac . a e       1.   I NT RO D UCT I O N     No w ad a y s   m illi m eter   w a v e  co m p o n en ts   ar e  r eq u e s ted   m o r e  a n d   m o r e  f o r   v er y   p r o m i s i n g   ap p licatio n s ,   s u c h   as  m u lti - Gb /s   w ir ele s s   lin k s ,   r ad ar   an d   im a g in g   s e n s o r s .   Six - p o r ts   h av e  b ee n   u s ed   f o r   d ec a d es  in   m icr o w av e  b an d s   an d   d u e  to   th eir   w ell - k n o w n   q u ad r atu r e  d o w n - co n v er s io n   a n d   d ir ec t  m o d u latio n   ap p licatio n s ;   th e y   also   p la y   a n   i m p o r tan t r o l e  in   m illi m eter   w a v e  tr a n s ce i v er   i m p le m e n tat io n   [ 1 - 1 4 ] .   T h er e  is   an   i n cr ea s e  i n   th e  u s e  o f   m icr o s tr ip   a n te n n a   b ec au s e  o f   i ts   li g h t w ei g h t,  lo w   f ab r icatio n   co s t s ,   t h e  ca p ab ilit y   o f   s u p p o r tin g   m u ltip le  f r eq u en c y   b an d s ,   a n d   in te g r atio n   w it h   m u ltip le  i n p u t m u ltip le  o u tp u t  ( MI MO )   [ 6 ] .   T h e  d is ad v an ta g e s   ass o ciate d   w ith   t h is   ap p r o ac h   in clu d e;  d ielec tr ic  lo s s e s ,   s u r f a ce   w a v e  lo s s es,  d ec r ea s ed   g ai n ,   n ar r o w   b an d w id th   d u e  to   co n d u cto r   lo s s es,  an d   la r g e  P C B   s tr u ctu r e  [ 7 ] .     T h e  p er f o r m an ce   o f   an y   in teg r ated   cir cu it  is   d r am atica l l y   i m p r o v ed   if   ea ch   co m p o n e n t  i s   ca r ef u ll y   d esig n ed .   I t  is   p ar ticu lar l y   tr u e  f o r   m illi m eter   w av e s ,   w h er e   cir cu it  d i m e n s io n s   ar e  co m p ar ab le  to   th e  g u id ed   w a v ele n g t h .   I t h as  b ee n   d e m o n s tr ated   t h at  m icr o s tr ip   tech n o lo g y   ca n   b e  s u cc es s f u ll y   u s ed   at  th ese   f r eq u e n cie s   b y   t h e  ap p r o p r iate  ch o ice  o f   g o o d   q u alit y ,   v er y   th in   s u b s tr at e,   tr an s m i s s io n   lin e  ch ar ac ter is tic  i m p ed an ce s ,   an d   w ell - s h ap ed   co m p o n e n ts ,   d esp ite  th e  cla i m s   o f   s o m e  e x p er ts   [ 1 1 ,   1 3 ] .   T h e  s ix - p o r t  in ter f er o m eter   w as  d e s ig n ed   at  a  ce n tr al  f r eq u en c y   o f   8 6   G Hz  to   co v er   a  1 0   GHz   b an d ,   f r o m   8 0   to   9 0   GHz ,   d u e  to   th e  o n - w af er   S - p ar a m e ter   m ea s u r e m e n t  ca p ab ilit ies  o f   lab o r ato r y   ( 6 0 - 9 0   GHz ) .   T h i s   is   th e  f ir s t  Mi n iat u r ized   H y b r id   Mic r o w av e   I n teg r ated   C ir cu it ( MH MI C )   s ix - p o r t th at   o p er ates a t   m o r e  th an   8 0   GHz .   T h e  in ter f er o m et er   p er f o r m an ce s   ar e  an al y ze d   u s in g   h ar m o n ic  b al an ce ,   q i  p o in ts ,   q u ad r atu r e  d e m o d u latio n   f o r   c o n s tella tio n s   u p   to   3 2   s y m b o ls ,   an d   E VM .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 7 0 3   -   2714   2704   2.   RE S E ARCH   M E T H O D     T h e  th in n es t  ce r a m ic  s u b s tr ate   o n   th e  m ar k et  ( 1 2 7   µm )   h as  b ee n   ch o s e n   f o r   th i s   s t u d y   th at   e n s u r es  t h e  s u cc e s s f u l  w ir e - b o n d in g   o f   o th er   in te g r ated   co m p o n e n t s ,   s u c h   a s   lo w   n o is e  a m p lifi er s   in   a  f r o n t - e n d   d esig n   [ 1 3 ] ,   an d   to   h av e  th e  n ar r o w es t  p o s s ib le  m icr o s tr ip   lin es.  T h ese  lin es  ar e  r eq u ir ed   to   d esig n   clo s ed   s h ap es f o r   co u p ler s   at  t h is   s h o r t  g u id ed   w a v elen g t h   ( 1 . 3 4   m m   at  8 6   GHz ) .   C o n s id er in g   its   r elativ e  p er m it tiv it y   o f   9 . 9   an d   ac co r d in g   to   th e  m i n i m u m   w id th   o f   a  p r in ted   lin e  in - h o u s e  MH MI C   p r o ce s s   ( 5 0   µ m ) ,   th e  m a x i m u m   ch ar ac ter is tic  i m p ed an ce   o f   t h e  m icr o s tr ip   li n e  Z 0 = 7 4   Ω   ca n   b e  ac h iev ed .   T h er e f o r e,   Z 0   v alu e s   o f   3 5 . 3 6   Ω   ( w =2 4 8   µ m ) ,   5 0   Ω   ( w =1 2 7   µm ) ,   an d   u p   to   7 0 . 7   Ω   ( w = 5 1   µ m )   ca n   b e  u s ed   to   o b tain   s u f f i cien t  Z 0   v ar iatio n   to   d esig n   th e  r eq u ir ed   co u p ler s .     T h e  h ig h e s t  p o s s ib le  Z 0   m u s t  b e  u s ed   to   in cr ea s e  th e  q u ar ter   w a v el en g t h   o v er   th e  li n e  w id t h   r atio   as  m u c h   as  p o s s ib le.   I n   th e  b est  ca s e,   th is   r atio   d o es  n o t  ex ce ed   6 .   T h e  w o r s t - ca s e  r atio   is   o n l y   1 . 3 5   at   Z 0 = 3 5 . 3 6   Ω .   T h is   is   a   g r ea t  ch allen g e  f o r   d esig n er s   w h o   w a n t  to   u s e  th e  co n v e n tio n al  s h ap es  o f   th e s e   co m p o n e n t s   o r   to   k ee p   th e  s a m e  n o m in al  i m p ed a n ce   f o r   all  cir cu its .   I n   v ie w   o f   th e  ab o v e,   5 0   Ω   an d   7 0 . 7   Ω   in   d esig n s   w er e  u s ed   in   m icr o s tr i p   lin es a n d   tap er ed   tr an s itio n s   f o r   m atc h in g .   Fo r   S - p ar a m eter   m ea s u r e m e n t s   w it h   a  t w o - p o r t  Vec to r   Net wo r k   An al y ze r   ( VN A ) ,   th e  s y m m etr y   h as   b ee n   f u ll y   e x p lo ited   to   r ed u ce   th e  n u m b er   o f   f ab r icate d   t w o - p o r t  c ir cu its   o n   a  s in g le  ce r a m ic  d ie   ( s ize  2 . 5 4   cm   x   2 . 5 4   cm ) .   A   p h o to g r ap h   o f   t h e  co m p lete  M HM I C   d ie  is   p r esen ted   in   Fi g u r e  1 .   Fo r   ex am p le,   f u ll  S - p ar a m eter   m ea s u r e m en t s   o f   th r ee - p o r ts   r eq u i r e  t w o   t wo - p o r t  p r in ted   cir cu its ,   th r ee   d if f er en t  cir cu its   ar e   n ee d ed   f o r   f o u r - p o r ts ,   an d   f o r   th e  p r o p o s ed   s ix - p o r t  th e  m ea s u r e m e n ts   r eq u ir e  s e v e n   d if f er en t  t w o - p o r t  p r in ted   cir cu its   ( in s tead   o f   f i f tee n ) ,   d u e  to   its   s y m m etr y .   A ll  u n u s ed   p o r ts   ar e  lo a d ed   u s in g   i n t eg r ated   r esis to r s   o f   n o m i n al  i m p ed an ce   a n d   R F   s h o r t - cir cu it s .   Via - h o le s   ar e  av o i d ed   to   r ed u ce   p ar asit ic  ele m en ts   an d   to   e n s u r e  th e   m ea s u r e m e n t s ’   r ep ea tab ilit y   [ 1 5 ] .             Fig u r e  1 .   P h o to g r ap h   o f   MH MI C   cir cu it s   o n   th e  ce r a m ic  d i e  p r ep ar e d   f o r   f u ll - po r t S - p ar am eter   m ea s u r e m e n t s   ( s ize  2 . 5 4   cm   x   2 . 5 4   cm )       Fig u r e  2   s h o w s   t h e  p h o to g r ap h   o f   t h e  m ea s u r e m en t  s et - u p .   I t  h as  b ee n   b u il t  in - h o u s e  u s i n g   eq u ip m e n t   an d   p ar ts   f r o m   d i f f er e n t  m a n u f ac t u r er s   to   b est  co m p l y   w it h   th e  tec h n ical  r eq u ir e m en ts .   T h e  s et - u p   is   m a in l y   co m p o s ed   o f   a   m i lli m eter   w a v e  VN A   an d   a  h i g h - p r ec is io n   m an u al   p r o b e  s tatio n .   T h e  VN A   in cl u d es  t h e  E   8 3 6 2   P NA   Net w o r k   An al y ze r   an d   th e  N  5 2 6 0 A   Milli m eter   W av e  Hea d   C o n tr o ller   f r o m   Key s i g h t  ( A g ilen t)   T ec h n o lo g ies.  T w o - m illi m eter   w a v e  ex te n d er s ,   f r o m   O M L   I n c. ,   o p ti m ized   f o r   Ke y s i g h t  ( Ag ile n t)   N  5 2 6 0 A ,   ar e  u s ed   f o r   W R   1 2   w a v e g u id e  o p e r atio n .   T h e  h u g e  atten u at io n   o n   m illi m eter   w a v e  ca b les  en s u r es  v er y   h i g h   d y n a m ic  r an g e  m ea s u r e m e n ts .   T h e  p r o b e  s tatio n   is   a  m o d i f ie d   C ascad e  Mic r o tech   A n a l y t ic al  p r o b e  s tati o n ,   S u m m i t  9 0 0 0 .   T w o   b en t  W R   1 2   w av e g u id es  ar e  co n n e cted   to   m illi m eter   w a v e  ex te n d er s .   C ascad e  Mic r o tech   Gr o u n d - Si g n al - Gr o u n d   ( GSG)   w a v e  g u id e  p r o b es  h av in g   a  p itch   o f   1 5 0   µ m   ar e  u s e d   f o r   m ea s u r e m en t s .   A   d etail  o f   th e  p r o b e  s et - u p ,   in cl u d in g   a  p h o to   o f   MH M I C   cir cu it  u n d er   test ,   i s   p r esen ted   in   Fi g u r e  3 .   Fo cu s   Mic r o w a v e s   I n c  f ab r icate s   t h e  p r ec is io n   m an u al  p o s itio n er s .   T h e  p o s itio n er s   allo w   ea s y   a n d   ac cu r ate  m o v e m en t s   o n   th r e e  ax es.  T h e  h i g h e s t   p r ec is io n   is   o n   t h e  Z - a x is   f o r   p r o b e  lan d in g ,   w h er e  s u b - 0 . 1   µm   r eso lu t io n   is   r eq u ir ed .   T h e  s et - u p   i n clu d e s   a n   Ol y m p u s   S Z 6 1   s ter eo   m icr o s co p e  eq u ip p ed   w i th   a  h ig h - r eso lu tio n   I n f i n it y   1   ca m er a.   T h e  I n f i n it y   ca p tu r e  a n d   th e  a n al y z in g   s o f t w ar e  allo w   t h e  p r ec is e  m ea s u r e m e n t  o f   t h e  cir cu it s ’   p h y s ical   d i m en s io n s ,   w ith   ar o u n d   1   µ m   r eso lu tio n .   I m a g es  ar e  also   d i s p la y ed   o n   a  3 2 - in c h   L C D  m o n ito r   to   m ak e  p r o b e   p o s itio n in g   clea r er .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       S ix - p o r t in terf ero mete r   fo r   W - b a n d   tr a n s ce ivers :   d esig n   a n d   ch a r a cteriz a tio n   ( E milia   Mo l d o va n )   2705       Fig u r e  2 .   Me asu r e m en t  s et - u p :   m illi m eter   w a v e  p r o b e  s tatio n   an d   VNA       Fig u r e  3 .   Me asu r e m en t  s et - u p :   w a v eg u id e  p r o b es  an d   MH MI C   cir cu i t u n d er   test       As  u s u a l,  tr an s itio n s   to   co p lan ar   lin e s   ar e  ad o p ted   to   p er f o r m   VN A   m ea s u r e m en ts   u s i n g   th e  p r o b e  s tatio n   [ 1 5 ] .   T h e  lay o u t o f   tr an s itio n s   u s ed   in   th e  m ea s u r e m e n ts ,   in cl u d i n g   t h e  w id eb an d   R F lo ad ,   is   p r esen ted   in   Fi g u r e  4 .   T h e  T h r u - R e f lect - L i n e  ( T R L )   ca lib r at io n   k it  is   i m p le m e n ted   o n   th e  s a m e  d ie.   T h is   is   n ec ess ar y   f o r   o b tain in g   s u cc es s f u l   an d   r ep ea tab le  ca lib r atio n .   C alib r atio n   u s in g   co - p la n ar   p r o b es  is   v er y   c h alle n g i n g   at  t h es e   h ig h   f r eq u e n cie s   o n   th e  MH M I C   p r o to ty p e  w h en   t h e  g o ld   lay er   m etalliza t io n   is   o n l y   1   µ m   th ic k .   Sev er al  T R L   k its   ar e  p r in ted ,   in   ca s e   s o m e  a r e  d am a g ed   b y   la n d in g   p r o b es  ( i.e . ,   s cr atch ed ) ,   as  s ee n   i n   Fig u r e  1 .   T h e  n o m i n a l   i m p ed an ce   w as c h o s e n   at  7 0 . 7   Ω .     R ep ea tab le  m ea s u r e m en t s   ( m ag n i tu d e  an d   p h a s e)   r eq u ir e  th e  s a m e  p r ess u r e  to   b e  m ai n tai n ed   o n   p r o b es  an d   th e  p r o b es  to   b e  l an d ed   at  th e  s a m e  p lace   at  t h e  co - p lan ar   in p u ts ,   f r o m   o n e  t w o - p o r t  MH MI C   to   an o th er .   T h is   is   p ar ticu lar l y   i m p o r ta n t  f o r   m ea s u r in g   t h e  tr an s m i s s io n   p h ase  s h i f t b ec au s e  th ese  r es u lt s   w ill b e   u s ed   to   i m p le m en t  t h e  cir cu i t  c o m p u ter   m o d els f o r   s y s te m   s i m u latio n s .   T h e  t w o   ad d itio n al  C ascad e  Mic r o tech   DC   p r o b es  an d   a  p r ec is io n   o h m m eter   ar e  u s ed   to   m ea s u r e  co n tact  r esis ta n ce   b et w ee n   co p l an ar   p r o b es  an d   th e  g o ld   p lated   tr an s m is s io n   l in e s   to   k ee p   t h e  co n tact  p r es s u r e  at  a  co n s ta n t  a n d   o p ti m al  v alu e   b et w ee n   o n e   m ea s u r e m e n t a n d   th e  n ex t.           Fig u r e  4 .   L a y o u t o f   t h e  m icr o s tr ip   to   co p lan ar   tr an s itio n   an d   w id eb an d   R F lo ad       3.   RE SU L T S  A ND  AN AL Y SI S   3 . 1 .   Wideba n d  po w er   div ider/co m b iner   T h e  cir cu it  h as  b ee n   d esig n ed   t o   co r r esp o n d   w it h   th e  r ec en t  s u cc ess f u l  i m p le m en tat io n   at  V - b an d   [ 1 1 ] .   T h e  co n v en tio n al  d esi g n   u s e s   a  T   j u n ctio n   an d   s h o r t  p er p en d icu lar   tr an s m i s s io n   li n es  to   co n n ec t  t h e  i n te g r ated   r esis to r .   T h e  S - p ar a m eter   p er f o r m an ce s   o f   s u c h   a  lay o u t  ar e  v er y   p o o r   in   m illi m eter   w a v es,  w h er e  di s co n ti n u i ties   m u s t b e  av o id e d .   T h e  lay o u t s   o f   th e  p r o p o s ed   c ir cu it,  p r ep ar ed   f o r   tw o - p o r t  m ea s u r e m e n t s ,   ar e  at  th e  b o tto m   r ig h t  o f   Fig u r e  1 .   T h e  lef t  o n e  is   p r ep a r ed   f o r   th e  is o latio n   m ea s u r e m en ts   o f   t h e  o u tp u t  p o r ts ;  th e  r i g h t  o n e  i s   p r ep ar ed   f o r   th e  tr a n s m is s io n   m ea s u r e m en ts .   Fi g u r e  5   h as  p r ese n t ed   th e  la y o u t  a lo n g   w i th   i ts   b asic  d i m e n s io n s .   T h is   r o u n d ed   s h ap e,   w i th   a n   o v er all  cir cu m f er en ce   o f   s i x - q u ar ter   g u id ed   w av ele n g t h s   ( 2 . 0 1   m m )   an d   a   co r r esp o n d in g   7 4 0   µm   in n er   d ia m eter ,   is   id ea l  d u e  to   th e  s h o r t  q u a r ter   w a v ele n g th   o v er   th e  lin e  w id t h   r atio .   T h e  r in g   i m p ed an ce   i s   7 0 . 7   Ω   ( w   =  5 1   µ m )   an d   th e  i n te g r ate d   r esis to r   v alu e  i s   1 0 0   Ω .     T h e  in p u t  s ig n al  is   s p lit,  as  in   a  co n v e n tio n al  W il k in s o n .   T h e  i n teg r ated   r es is to r   is   co n n ec ted   w it h   h al f - w a v ele n g th   tr an s m is s i o n   lin e s   h av i n g   t h e  s a m e  i m p e d an ce   o f   7 0 . 7   Ω .   As  s ee n ,   t h er e  ar e  n o   s tep s   o r   d is co n ti n u i ties ,   m ak i n g   th e  cir cu it  id ea l  at  m i lli m eter   w av e  f r eq u en cies.  T h e  tap er ed   tr an s itio n s   to   7 0 . 7   Ω   ar e   u s ed   to   m ea s u r e  th e  S - p ar a m et er s ,   ac co r d in g   to   th e  VN A   ca li b r atio n   b ec au s e  th e  cir cu i t  p o r ts   ar e  ad ap ted   t o   5 0   Ω   as sh o w n   in   Fig u r e  1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 7 0 3   -   2714   2706       Fig u r e  5 .   L a y o u t o f   t h e  w id eb an d   p o w er   d iv id er /co m b in er .       I n   th e  p r esen t  s tu d y ,   m ai n l y   t h e  m ea s u r e m en ts   an d   o n l y   t h e  m o s t  i m p o r tan t  s i m u la tio n s   h av e  b ee n   d is p la y ed   f o r   S - p ar a m eter s .   As   s ee n   in   Fi g u r e  6   th e  tr an s m is s io n   m ag n it u d e  is   q u ite  s t ab le  o v er   1 0   GHz .   A d d itio n al   in s er tio n   lo s s e s ,   a s   co m p ar ed   to   s i m u latio n ,   ar e  less   th a n   1   d B .   T h is   is   p r o b ab ly   b ec au s e  t h e  m ea s u r e m e n t s   ar e  p er f o r m ed   o n   th e  ed g e  o f   th e  d ie;  a t  p o r t  2 ,   th e  m etalliza ti o n   w a s   a  litt le  s cr atch ed   d u r i n g   m an u f ac t u r e.   R et u r n   lo s s e s   at  all  p o r ts   ar e  m o r e  th a n   2 0   d B   as sh o w n   i n   Fi g u r e  7 .   I n   ad d itio n ,   Fig u r e  8   s h o w s   t h e  ex ce lle n t  i s o latio n   b et w ee n   th e  o u tp u t  p o r ts ,   d em o n s tr ati n g   t h at  t h e   cir cu it is   a ls o   a  v er y   g o o d   p o w er   co m b i n er .   T h is   is   p ar tic u l ar l y   u s ef u l i n   p o w er   co m b in in g   ap p licatio n s   w h er e   th e  u s e  o f   T   j u n ctio n s   d ec r ea s es  r etu r n   lo s s   v al u e s   an d   o f f er s   p o o r   is o lati o n   b etw ee n   o u tp u t  p o r ts   2   an d   3   ( as  lo w   as  6   d B   f o r   b o th   p ar am eter s ) .   Feed i n g   n e t w o r k s   o f   m illi m eter   w av e  a n te n n a  ar r ay s   b e n ef it  f r o m   t h i s   cir cu lar   la y o u t,  in   p ar ticu lar   [ 8 ,   1 3 ] .           Fig u r e  6 .   T r an s m i s s io n   S - p ar am eter s : si m u latio n s   an d   m ea s u r e m e n t s       Fig u r e  7 .   R etu r n   lo s s   m ea s u r e m e n t s   at  all  p o r ts       Fig u r e  8 .   I s o latio n   o f   o u tp u t p o r ts :  s i m u lat io n s   a n d   m ea s u r e m en ts       3 . 2 .   Q ua dra t ure  hy bri d c o up ler   T h e  m i lli m eter   w av e  q u ad r a tu r e  h y b r id   co u p ler   p r eser v e s   th e  u s u al  r o u n d ed   s h ap e  o f   d esi g n s .   T h e  7 0 . 7   Ω   v alu e  h a s   b ee n   ch o s en   b ec au s e  th e  li n e  w id th   is   to o   lar g e  f o r   th e  co m m o n l y   u s ed   5 0   Ω   ch ar ac ter is tic  i m p ed an ce   at   p o r ts .   T h e  in te g r ated   R F  lo ad s   a t u n u s ed   p o r ts   ar e  co n s eq u e n tl y   eq u al   to   7 0 . 7   Ω .   Fi g u r e  9   s h o w s   its   la y o u t a n d   m ai n   d i m e n s io n s .   As  s ee n   at  th e  b o tto m   le f t  o f   Fig u r e  1 ,   th r ee   m ea s u r e m en t  la y o u t s   ar e  f ab r icate d ,   co r r esp o n d in g   t o   p o r ts   1 - 2   an d   1 - 3   f o r   tr an s m i s s i o n ,   an d   1 - 4   f o r   is o latio n .   R e g ar d in g   th e  p o w er   d iv id er ,   th e   ad d itio n al  in s er tio n   lo s s   is   le s s   th a n   1   d B   o v er   th e   1 0   GHz   b an d   as  s h o w n   i n   Fi g u r e  1 0 .   R et u r n   lo s s es  ar e  m o r e  th an   1 6   d B   at  all  p o r ts   as  s h o w n   in   Fi g u r e  1 1 .   T h e  is o latio n   b et w ee n   ad j ac en t  p o r ts   ( 1 - 4   an d   2 - 3 )   i s   m o r e  t h an   2 0   d B   o v er   th e   w h o le  b an d   as  s h o w n   in   Fi g u r e  1 2 .   T h e  p h ase  s h if t  k ep t  al m o s t  9 0 º   as  s h o w n   in   Fig u r e  1 3 .   T h e  p h ase  s h if t  o f   o u tp u t  p o r ts   r ep r esen ts   a n   es s en tial  p ar a m eter   f o r   th e  an a lo g   s i g n a l  p r o ce s s in g   o f   m ill i m e ter   w a v e  q u ad r atu r e   s ig n al s   u s in g   t h e  s i x - p o r t.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       S ix - p o r t in terf ero mete r   fo r   W - b a n d   tr a n s ce ivers :   d esig n   a n d   ch a r a cteriz a tio n   ( E milia   Mo l d o va n )   2707       Fig u r e  9 .   L a y o u t o f   t h e  q u ad r atu r e  h y b r id   co u p ler       Fig u r e  1 0 .   T r an s m i s s io n   S - p ar a m eter s : si m u latio n s   an d   m ea s u r e m e n t s       Fig u r e  1 1 .   R etu r n   lo s s   m ea s u r e m en ts   at  all  p o r ts           Fig u r e  1 2 .   I s o l atio n   b et w ee n   ad j ac en t p o r t s   o f   th e  h y b r id   co u p ler       Fig u r e  1 3 .   P h a s e  m ea s u r e m e n t s   o f   tr an s m is s io n   S - p ar a m eter s       3 . 3 .     Six - po rt   i nte rf er o m et er   T h e  s ix - p o r t  in ter f er o m e ter   is   b u ilt  u s i n g   t h e  p r ev io u s   t w o   cir cu its ;  th er e f o r e,   w id eb an d   b eh av io r   is   ex p ec ted .   A s   e x p lai n ed ,   s ev e n   d if f e r e n t si x - p o r ts   h a v e  b ee n   i m p le m e n ted   o n   t h e  s a m e  ce r a m ic  d ie,   alo n g   w it h   o th er   cir cu its   as  s h o w n   in   Fi g u r e  1 .   T h is   allo w s   its   co m p let e  S - p ar a m eter   ch ar ac ter izatio n .   T h e  lay o u t  an d   th e   o u ter   d i m en s io n s   o f   th e  s i x - p o r t  ar e  s h o w n   in   Fi g u r e  1 4 .   A s   u s u al  in   w o r k ,   p o r t  5   is   th e  L O  p o r t,  an d   p o r t   6   is   th e  i n p u t  R F  p o r t.  T h e  cir cu it  o u tp u t s   ar e  p o r ts   1   to   4 .   Se v er al  o f   t h e  m o s t  i m p o r ta n t  S - p ar a m eter s   o f   t h e   p r o p o s ed   s ix - p o r t in ter f er o m et er   ar e  p lo tted   in   Fig u r e s  1 5   to   2 2 .   T h e  r etu r n   lo s s es  a t  R F  i n p u t  p o r ts   ar e  h ig h er   t h a n   1 7   d B   o n   m ea s u r e m e n ts   a s   s h o w n   i n   Fig u r e  1 5 .  T h e  b est  r esu lts   ar e  o b tain ed   a t p o r t   6 ,   th e  in p u t o f   th e  m o d u l ated   s ig n al s   [ 1 0 ] .   E x ce llen t iso latio n   b et w ee n   R F   p o r ts ,   o f   ar o u n d   4 0   d B ,   h as  also   b ee n   ac h iev ed   at  th e  ce n t r al  f r eq u en c y   a s   s h o w n   in   Fi g u r e  1 6 .   T h is   h i g h   is o latio n   is   a  g r ea t a d v a n tag e,   co m p ar ed   to   th at  ac h ie v ed   b y   co n v e n tio n al  m i x er s ,   w h e n   th e   cir cu it is   u s ed   as a   d ir ec t  q u ad r atu r e  d e m o d u lato r   [ 1 0 ] .   Me asu r ed   tr an s m i s s io n   m ag n it u d es  r elate d   to   i n p u t  p o r t  6   s h o w   a  v ar ia tio n   o f   n o   m o r e  th a n   1   d B   m a g n itu d e  f o r   all  tr an s m is s io n   p a r a m eter s   o v er   1 0   GHz   b an d w id t h   as  s h o w n   in   Fig u r e  1 7 .   A   q u asi - li n ea r   p h ase  v ar iatio n   w ith   r esp ec t  to   9 0 º   m u ltip lies ’   d if f e r en ce s   is   p lo tted   in   Fig u r e  1 8 .   T h e  p h ase  d if f er e n ce   b et w ee n   S6 1   an d   S6 2   is   less   th a n   2 º ,   an d   th e  p lo ts   s ee m   s u p er p o s ed .           Fig u r e  1 4 .   L a y o u t o f   th e  s ix - p o r t c ir cu it       Fig u r e  1 5 .   R etu r n   lo s s es a t i n p u t  p o r ts : si m u latio n s   an d   m ea s u r e m en ts       Fig u r e  1 6 .   I s o latio n   o f   in p u t p o r t s :  s i m u lat io n s   a n d   m ea s u r e m en ts     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 7 0 3   -   2714   2708       Fig u r e  1 7 .   T r an s m i s s io n   m a g n itu d es b et w ee n   in p u t   R F p o r t 6   an d   o u tp u ts       Fig u r e  1 8 .   T r an s m i s s io n   p h ase s   b et w ee n   i n p u t  R F p o r t 6   an d   th e  f o u r   o u tp u ts       I t  s h o u ld   b e  n o ted   th at  a  4   µm   p r o b e   p o s itio n i n g   er r o r   c o r r es p o n d s   to   1 °  o f   th e  tr an s m is s io n   co ef f icien t   p h ase.   A   m ea s u r e m e n t  er r o r   o f   a  f e w   d eg r ee s   is   r ea s o n ab le,   g iv e n   th at  m ea s u r e m e n t s   ar e  p er f o r m ed   w it h   t w o   1 5 0   µm   p r o b es  o n   d if f er en t  cir cu its   a n d   g i v en   t h e  s ize  o f   t h e  c o p lan ar   tr an s itio n   a s   s h o w n   i n   Fig u r e  4 .   Ho w ev er ,   a  m a x i m u m   p h a s e  er r o r   o f   ±   2 %  co n ce r n in g   th e  ce n tr al  f r eq u en c y   i s   o b s er v ed   ( f ab r icatio n   an d   m ea s u r e m e n t   er r o r s   in clu d ed )   o v er   1 0   GHz .   A l s o ,   th e  o v er all  tr a n s m i s s i o n   m a g n itu d e  v ar iatio n   d o es  n o t  ex ce ed   0 . 5   d B ,   f r o m   8 0   GHz   to   9 0   GHz   at  p o r t  5   as  s h o w n   in   Fi g u r e  1 9 .   S5 1   is   s u p er p o s ed   to   S5 4   an d   S5 2   is   s u p er p o s ed   to   S5 3 ,   d u e  to   th e  cir cu it s y m m et r y   a s   s h o w n   i n   Fi g u r e  1 4 .   A   q u as i - lin ea r   p h ase  v ar iatio n   o f   tr an s m i s s io n   co ef f icien ts   w it h   r esp ec t  to   9 0 º   m u ltip lie s ’   d if f er en ce s   is   also   to   b e  s ee n   i n   F ig u r e  2 0 .   A  m ax i m u m   er r o r   o f   1 % is   o b s er v ed   o v er   1 0   GHz .   T h e  m ea s u r e m en t   r es u lts   o f   th e  r etu r n   lo s s es f o r   th e  f o u r   o u tp u t  p o r ts   ar e  s h o w n   in   Fig u r e  2 1 .   A s   ca n   b e  s ee n ,   all  p o r ts   ar e  w ell  m atc h ed   in   th e  co n s id er ed   f r eq u e n c y   b an d .   T y p ical  n o n ad j ac en t  i s o latio n   o f   th e   o u t p u t   p o r ts ,   S 1 2 ,   is   p r esen ted   i n   Fig u r e  2 2 .   T h e  m ea s u r e m en t   r esu lt   is   v er y   g o o d ,   less   t h an   - 2 0   d B   in   an   8   G Hz  f r eq u en c y   b an d .   Fo r   ad j ac en t   p o r ts ,   th e  r esu lt s   ar e  s i m ilar   to   th o s e  s h o w n   i n   Fi g u r e1 2   f o r   a   9 0 ° co u p ler .           Fig u r e  1 9 .   T r an s m i s s io n s ’   m a g n i tu d es b et w ee n   in p u t  R F p o r t 5   an d   o u tp u ts       Fig u r e  2 0 .   T r an s m i s s io n   p h ase s   b et w e e n   i n p u t R F  p o r t 5   an d   th e  f o u r   o u tp u t s           Fig u r e  2 1 .   R etu r n   lo s s   m ea s u r e m en ts   o f   o u tp u t p o r ts           Fig u r e  2 2 .   T y p ical  s i m u latio n   an d   m ea s u r e m en t  r esu lt s   o f   t h e  o u tp u t s ’   is o latio n       A   s i x - p o r t  in ter f er o m eter   m o d el  b ased   o n   p r ev io u s   S - p ar a m e ter   m ea s u r e m e n ts   h a s   b ee n   i m p le m en ted   in   t h e  A d v a n ce d   Desi g n   S y s te m   ( ADS)   s o f t w ar e  f o r   f u r th er   an al y s i s .   A ll  t w o - p o r t  VN A   S - p ar a m eter   m ea s u r e m e n t s   o f   th e  MH MI C   s ix - p o r t  ar e  im p o r ted   to   A DS a s   d ata  ac ce s s   co m p o n e n t s   [ 1 5 ] .   T h e  p er f o r m a n ce   o f   a  s ix - p o r t c ir cu it i s   ev al u a te d   as a n   in ter f er o m eter   ted   o v er   th e  b an d w id th   u s in g   s e v er al  g lo b al  p er f o r m a n ce   an al y s es:  h ar m o n ic  b alan ce ,   th e  q i  p o in ts ,   h o m o d y n e  q u a d r atu r e  d em o d u la tio n ,   an d   E VM   b ec au s e  it  is   g en er all y   d if f ic u lt to   ev a lu ate  a  s ix - p o r t c ir cu it u s i n g   o n l y   S - p ar am eter s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       S ix - p o r t in terf ero mete r   fo r   W - b a n d   tr a n s ce ivers :   d esig n   a n d   ch a r a cteriz a tio n   ( E milia   Mo l d o va n )   2709   3 . 4 .     H a r m o nic b a la nce   A   h ar m o n ic  b alan ce   an al y s i s   is   p er f o r m ed   as  an   i n itial  d esig n   v alid atio n   o f   th e  i n ter f er o m etr i c   ca p ab ilit ies  o f   th e  s i x - p o r t  cir cu it  [ 7 ] .   T h e  b l o ck   d iag r a m   o f   h ar m o n ic  b alan ce   s i m u lat io n   is   p r esen ted   in     ig u r e  2 3 .   T h e  m i lli m eter   w a v e   s ig n al  g e n er ated   b y   a  lo ca l  o s cillato r   L O   is   s p lit  in t o   tw o   eq u al  p ar ts :   th e  r ef er en ce   s ig n al,   i n j ec ted   a t  p o r t  5 ,   an d   th e  p h ase  s h i f ted   o n e,   in j ec ted   at  p o r t  6 .   I d ea l  p o w er   d etec to r s   ar e  co n n ec ted   to   cir cu i t  o u tp u ts     to   h ig h li g h t  o n l y   t h e  s ix - p o r t  p er f o r m a n ce s .   I n   p r ac tice,   m atc h ed   Sch o tt k y   d etec to r s   ar e  u s ed   [ 8 ,   1 3 ] .   T h e  o u tp u t  d etec ted   v o lta g es  V i   ar e  r ea d   o n   lo ad   r esis to r s   R L i.  Hi g h - i m p ed an ce   lo ad s   ar e  r ec o m m e n d ed .           Fig u r e  2 3 .   T h e  h ar m o n ic  b alan ce   s i m u latio n   s i m p l if ied   b lo ck   d iag r a m       I f   p h ase  φ  i s   s w ep t  o v er   3 6 0 º ,   ea ch   o u tp u t  d etec ts   v o lta g e  v ar i e s   as  a  s h i f ted   s i n u s   f u n ctio n ,   as d escr ib ed   in   th e  t w o   eq u ati o n s   b elo w   [ 7 ,   1 0 ] .     3 , 1 = 2 2 [ 1 ±  (  ) ]   ( 1 )     4 , 2 = 2 2 [ 1 ±  (  ) ]   ( 2 )     T h e  co n s tan t K   is   r elate d   to   p o w er   d etec to r   p er f o r m a n ce s ,   an d   a  is   th e  m a g n itu d e  o f   t h e  n o r m alize d   in cid en t  w a v e  at  R F  in p u t  p o r ts .   A s   s ee n ,   s in u s o id al  f u n ctio n s   ar e  s u p er p o s ed   o v er   a   DC   v alu e  w h ich   i s   p r o p o r tio n al  to   L O  p o w er .   T w o   p air s   o f   o u tp u t  d etec ted   v o ltag es,  o n e   o f   ( V1 ,   V3 )   an d   t h e  o th er   o f   ( V2 ,   V4 )   ar e  o p p o s ite  in   p h ase.   T h e  v o ltag es o f   t h e  ev e n   an d   o d d   in d e x   ar e  in   q u ad r atu r e.   I n   an   id ea l c ir cu it,  q u ad r atu r e   s ig n al s   ca n   b e  o b tain ed   u s in g   a  d if f er en tial  f u n ctio n ,   at  th e  s a m e  ti m e  r ed u ci n g   t h e  DC   o f f s et  to   ze r o ,   as  ex p lain e d   f u r th er   in   s ec tio n   I V  C .   Si m u la tio n s   u s i n g   t h e  m ea s u r e m en t - b ased   cir cu it  m o d el  ar e  p er f o r m ed   o v er   th e  1 0   GHz   b an d ,   an d   r esu lts   ar e  p lo tted   in   Fig u r e s   2 4   to   2 6 .   T h e  L O  p o w er   i s   s et  at  0   d B m   f o r   co n v en ie n c e   an d   th e  p h ase  i s   s w ep t  f r o m   0 °  to   3 6 0 °.  T h e  d is p l a y ed   w a v e f o r m s   h a v i n g   s i n u s o id al  s h ap es  ar e  i n   g o o d   ag r ee m e n t  w i th   th e  p r ev io u s   th eo r etica l  eq u atio n s .   Mi n i m u m   v al u es  ar e  clo s e   to   ze r o   an d   ar e  s h i f ted   b y   m u ltip les o f   ar o u n d   9 0 °.  T h e  m ax i m u m   v a lu e s   o f   all  s ig n als   ar e  alm o s t th e  s a m e.           Fig u r e  2 4 .   Ma g n i t u d e  o f   th e  p o w er   d etec ted   o u tp u t v o lta g e s   ( 8 5   GHz )       Fig u r e  2 5 .   Ma g n it u d e  o f   th e  p o w er   d etec ted   o u tp u t v o lta g e s   ( 8 0   GHz )       Fig u r e  2 6 .   Ma g n it u d e  o f   th e  p o w er   d etec ted   o u tp u t v o lta g e s   ( 9 0   GHz )       As  m e n tio n ed ,   t h ese  v a lu e s   ar e  o b tain ed   u s in g   m ea s u r ed   S - pa r am eter s   o n   d if f er en t  t w o - p o r t  cir cu its ,   as  s ee n   in   Fig u r e   1,   p h ase  er r o r s   ar e  p ar tly   d u e  to   p r o b e  p o s it io n in g ,   b u t  al s o   to   s li g h t  p h y s i ca l  d i m en s io n s   an d   v ar iatio n s   in   lo ad   v al u es  f r o m   o n e  t w o - p o r t  cir cu it  to   an o th er .   As  co m p ar ed   to   th e  v al u es  o b tain ed   f o r   th e   ce n tr al  f r eq u e n c y ,   at  th e  b an d   ed g es  th at  w er e  co n s id er ed ,   o n e  8 0   GHz   an d   o n e  9 0   GHz ,   v o ltag e s   ar e  s h i f ted   b y   ar o u n d   ±   1 0 °.  T h is   is   ea s y   t o   u n d er s ta n d   if   th e  o p er atin g   f r eq u en c y   c h a n g e s   ar e  co n s id er ed ,   b u t  th e  p h y s ical   d i m en s io n s   r e m ai n   t h e  s a m e.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 7 0 3   -   2714   2710   Th e  m il li m e ter   w a v e  o u tp u t  s ig n al  o f   ea ch   p o r t  is   an   in te r f er o m etr ic  co m b in a tio n   o f   t w o   in p u ts .   T h er ef o r e,   s lig h t  m a g n it u d e  v ar iatio n s   a f ter   p o w er   d etec tio n   ar e  lin k ed   to   th e   S - p ar a m et er s   ( m ag n it u d e   an d   p h ase) ,   as p lo tted   in   Fi g u r e s   1 7   to   2 0 .       3 . 5 .    T he  qi  p o i nts   Fro m   a  h is to r ical  p o in t  o f   v ie w ,   th e  f ir s t  s i x - p o r t  cir cu its   w er e  u s ed   as  alter n ativ e,   lo w - c o s t,  v ec to r   an al y ze r s   [ 1 7 - 1 9 ] .   I n   th ese  d esig n s ,   t h e  p o w er   o f   o n e  o f   th e   o u tp u ts   is   al w a y s   p r o p o r tio n al  to   th e  L O  p o w er .   T h e  o th er   th r ee   d etec ted   o u tp u t  p o w e r s   ar e  f u n ctio n   o f   th e  r ef lectio n   co ef f ic ien t  o f   th e  d ev ic e  u n d er   test   ( DUT ) .     B y   d e f i n itio n ,   th e   q i  p o in ts   a r e  th e  v alu e s   o f   t h e  m ea s u r ed   r ef lectio n   co ef f icie n t  w h ic h   n u l led   th e   d etec ted   p o w er   at   p o r t  i.  Fo r   th ese  cir c u it s ,   th e   th r ee   q i  p o in t s   ar e  id ea ll y   s p ac ed   b y   1 2 0 º   in   th e  co m p le x   p la n e.   T o   o b tain   th e  DUT   r ef lectio n   c o ef f icie n t  ( Г L ) ,   t h r ee   cir cles  h a v in g   t h eir   ce n ter   in   th e  q i  p o in t s   an d   t h eir   r ad iu s e s   r elate d   to   d etec ted   p o w er   ar e  p lo tted .   ГL   is   th e  i n ter s ec t io n   p o in t o f   th e s e  cir cles [ 1 7 ] .   B y   a n alo g y ,   t h e  q i  p o in ts   f o r   s ix - p o r t  r ec eiv er s   ar e  d ef i n ed   as  th e  n o r m alize d   co m p le x   v a lu e  o f   t h e   in p u t  R F   s i g n al  at  p o r t  6 ,   w h i ch   m in i m izes  t h e  m ea s u r ed   p o w er   at  t h e  P i  o u tp u ts .   I f   t h e  in p u t  R F   p o w er s   a t   p o r ts   5   an d   6   ar e  eq u al,   th i s   m in i m al  v al u e  w o u ld   t h eo r etic al l y   b e  eq u al  to   ze r o .   Fas t a n a lo g   s i g n al  p r o ce s s i n g   o f   m illi m eter   w a v e  s ig n al s ,   w i th o u t  a n y   ca lib r atio n ,   r eq u ir es   f o u r   q i  p o in ts   s p ac ed   b y   9 0 º   b ec au s e  th er e  is   n o   r ef er en ce   o u tp u t p o w er   [ 6 ,   7 ,   1 0 ] .     = |  5 + −  6 | 2 = | | 2 | 5 + 6 | 2   ( 3 )     = − 5 6   ,  i  =   1 ,   2 ,   3 ,   4   ( 4 )     T h e  f o u r   q i  p o in t  p o s itio n s   o v er   th e  b an d ,   o b tain ed   u s i n g   S - p ar am eter   m ea s u r e m e n t s   ar e  p r esen ted   in   Fig u r e  2 7 .   On   th e  u n it  cir cle  th e  id ea l  p o s itio n   o f   ea ch   p o in t  is   m ar k ed   b y   a  d o t.  A s   s ee n ,   m ea s u r e m e n t s   o f   th e  cir cu it  co n f ir m ed   th at  th e  q i  p o in ts   ar e    s ep ar ated   b y   q u asi  9 0 º   m u ltip lies   a n d   ar e  v er y   clo s e  to   t h e  id ea l   v alu e s .   A   r o tatio n   m o v e m e n t o f   ar o u n d   2 0 º   is   o b s er v e d   f r o m   8 0   GHz   to   9 0   GHz .   I f   th e  f r eq u en c y   is   i n cr ea s ed ,   th e  q i  p o in ts   w ill  r o tate  in   a  clo ck w is e  d ir ec tio n .   T h is   is   i n   ac co r d an ce   w it h   th e  p r ev io u s   h ar m o n ic  b alan c e   r esu lt s ,   an d   is   m ai n l y   r elate d   to   th e  v ar iatio n   o f   th e  elec tr i c  len g t h   o n   tr an s m i s s io n   lin e s   v er s u s   f r eq u e n c y .   I t  s h o u ld   b e  n o ted   th at  r o tatio n s   ar e  u s u all y   co m p en s ated   in   s i x - p o r t  r ec eiv er s ,   as  in   all   o th er   p h ase  s h i f t s ,   d u e  to   th e  p r o p ag atio n   o r   Do p p ler   ef f ec ts ,   b y   u s in g   a  p h ase  s h i f ter   at  th e  L O  p o r t [ 2 0 ] .           Fig u r e  2 7 .   T h e  q i p o in ts   p o s iti o n   o f   th e  s ix - p o r t o v er   th e1 0   GHz   b an d       3 . 6 .     P SK   a nd   Q AM   de m o d ula t io n r esu lt s   As  d e m o n s tr ated   in   [ 7 ] ,   if   t h e   m ag n it u d e  r atio   o f   th e  i n p u t  s ig n al s   is   eq u al  to   α ,   th e  o u tp u t  d etec ted   v o ltag e s   ar e:     3 , 1 = 4 2 [ 1 + 2 ± 2   (  ) ]   ( 5 )     4 , 2 = 4 2 [ 1 + 2 ± 2   (  ) ]   ( 6 )     T h e  DC   o f f s et  co m p o n en t  c an   b e  eli m i n ated   in   th eo r y   ( d r am at ica ll y   r ed u ce d ,   in   p r ac tice)   b y   a   d if f er e n tial a p p r o ac h :     = 3 − 1 =  2  (  )   ( 7 )     = 4 − 2 =  2  (  )   ( 8 )     Г = +  =  2  (  )   ( 9 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       S ix - p o r t in terf ero mete r   fo r   W - b a n d   tr a n s ce ivers :   d esig n   a n d   ch a r a cteriz a tio n   ( E milia   Mo l d o va n )   2711   W ith   th e  p r ev io u s   eq u atio n s   in   m in d ,   th e  b asic  d e m o d u latio n   d iag r a m   is   s h o w n   i n   Fig u r e  2 8 .   An   ad d itio n al  g a in   i s   p r o v id ed   in   th e  b aseb an d   m o d u le  u s i n g   d i f f er e n tial  a m p li f ier s .   T h e  atten u a to r   at  p o r t  6   ca n   e m u late  t h e  p at h   lo s s   o f   t h e  m illi m eter   w a v e  w ir eles s   l in k .   A   p h ase  s h i f ter   co n n ec te d   to   o n e  o f   th e  R F  in p u t s   ca n   b e  u s ed   t o   r o tate  th e  d em o d u la ted   co n s tellat io n .           Fig u r e  2 8 .   T h e  d em o d u la tio n   s i m p li f ied   b lo ck   d iag r a m       T h e  d em o d u lato r   p er f o r m a n c es  ar e  ev al u ated   b y   co m p ar i n g ,   p o in t  b y   p o in t,  t h e  p o s iti o n   o f   ea ch   s y m b o l,  in   t h e  i n p u t  co m p le x   p lan e  ( at  th e   m o d u lato r   lev el)   w i t h   t h e  p o s itio n   o f   th e  s a m e  s y m b o l  i n   t h e  o u tp u t   co m p le x   p la n e  ( at  t h e  o u tp u t  o f   t h e  b aseb an d   m o d u le) .   T h e  p o w er   d etec to r   is   co n s id er ed   id ea l  f o r   h i g h li g h tin g   o n l y   t h e  ch ar ac ter i s tics   o f   th e  s ix - p o r t in ter f er o m eter .     Su p p o s in g   a  p er f ec t   s y n c h r o n i s m   a n d   n o   ad d itio n al   n o i s e,   Fi g u r e s   2 9   to   3 3   s h o w   v ar io u s   d e m o d u lated   co n s tellat io n s   u p   to   3 2   s y m b o l s ,   w i th   t h e  s i x - p o r t  m o d el  b ased   o n   S - p ar a m eter   m ea s u r e m e n ts   in   m i n d .   T h e  L O  p o w er   is   k ep t t h e  s a m e  f o r   all  m o d u latio n s ,   at  - 2 2   d B m ,   th e   ad d itio n al  atten u atio n   at  p o r t  6   is   2 0   d B   ( α   =  0 . 1 ) ,   an d   th e  b aseb an d   m o d u le  g ai n   is   3 0   d B .   A ll  co n s tellatio n s   ar e   p lo tted   at  th e  ce n tr al  f r eq u e n c y .   I n   o r d er   to   b ette r   v is u alize   t h e  q u ad r atu r e  an d   p o s itio n   er r o r s   o f   th e  d e m o d u l ated   s ig n als,  s y m b o l s   ar e  tr an s m i tted   in   a  ce r tain   o r d er ,   f o r   ea ch   m o d u latio n ,   an d   ar e  lin k ed   b y   d o tted   lin es.  A s   n o ted   at  th e  b eg i n n in g   o f   s ec tio n   I V,   th e  d e m o d u latio n   r esu lts   s h o w   o n l y   th e   p er f o r m a n ce s   o f   t h e  s ix - p o r t  cir cu it,  a n d   ar e  u s ed   to   ev alu a te  it s   d esi g n   an d   f ab r icatio n ; t h e y   d o   n o t r e f er   to   an   en tire   c o m m u n icatio n   s y s te m .           Fig u r e  2 9 .   8   P SK d em o d u lat io n   r esu lt s       Fig u r e  3 0 .   1 6   P SK d em o d u lati o n   r esu lt s       Fig u r e  3 1 .   1 6   QA M  d em o d u latio n   r es u lt s           Fig u r e  3 2 .   3 2   QA M  d em o d u la tio n   r esu l ts       Fig u r e  3 3 .   1 6   s y m b o ls   o f   th e  d u al - r in g   d em o d u latio n   r es u lt s     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   4 ,  A u g u s t 2 0 1 9   :   2 7 0 3   -   2714   2712   As  s ee n ,   th e  d e m o d u latio n   e r r o r s   ar e  b a r ely   v i s ib le  to   th e  n ak ed   e y e.   I n   t h e  P SK  m o d u latio n s ,   th e  d e m o d u lated   s y m b o l s   ar e  p lace d   o n   cir cles.  I n   th e  QA M  m o d u latio n   s ch e m e s ,   th e  p o in t s   ar e  eq u all y   s p ac ed   o n   th e   q u ad r atu r e  I   a n d   Q  a x e s .   Mo r eo v er ,   it c an   b e  o b s er v e d   th at  t h e  s y m b o ls   ar e  al s o   p lace d   o n   th r ee   o r   f iv e   co n ce n tr ic  cir cle s   i n   t h e  ca s e  o f   1 6   Q A M  a n d   3 2   Q A M,   r es p ec tiv el y .   W ith   th e   av ai lab le  f r eq u en c y   b an d   a n d   th is   d ir ec t a n a lo g   s i g n al  p r o ce s s i n g   m et h o d ,   q u asi - o p tical  d ata - r ates c a n   b e  o b tain ed   at  lo w - co s t.   I n   p r ac tical  w ir eles s   s y s te m s ,   ad d itio n al  w h i te  an d   p h a s e  n o is e  is   ad d ed   an d   co n s tellatio n   p o in ts   ar e   g r o u p ed   in   clu s ter s .   Du e  to   t h e  h u g e  b an d w id t h   o f   s e v er al  GH z,   th e  w h ite  n o is e  le v el  is   i m p o r tan t.  Fo r   ex a m p le,   if   t h e  b an d   i s   i n cr ea s ed   f r o m   1 0 0   M Hz  to   2   GHz   ( ac tu al  4 G  to   a  f u t u r e  m illi m eter   w a v e  o f   5 G)   ad d itio n al  2 3   d B   w ill  b e  ad d ed   to   th e  n o is e   lev el.   I n   ad d itio n ,   t h e  p h a s e  n o is e  o f   m i lli m eter   w av e  o s ci llato r s   is   i m p o r tan t   b ec au s e  L O  s i g n als  ar e  u s u all y   o b tain ed   th r o u g h   f r eq u e n c y   m u ltip licatio n .   T h er ef o r e,   th e  n u m b er   o f   s y m b o ls   an d   th e  m o d u la tio n   s c h e m e  m u s t  b e  ad j u s ted   ac co r d in g l y .   F o r   ex a m p le,   f o r   1 6   s y m b o ls ,   w id el y   s u g g ested   as   th e  m a x i m u m   o n   m illi m eter   wav e  5 G  f o r u m s ,   t h e  o p ti m u m   m o d u latio n   s c h e m e  i s   1 6   QAM .       3 . 7 .     E VM   r esu lt s   E r r o r   v ec to r   m a g n i tu d e  r ep r esen ts   t h e  m ea s u r e m en t  o f   d e m o d u lato r   p er f o r m an ce s   in   th e  p r esen ce   o f   i m p air m e n t s .   T h e  m ea s u r ed   s y m b o l  lo ca tio n   o b tain ed   af ter   d ec im ati n g   t h e  r ec o v er ed   w av e f o r m   at  th e   d em o d u lato r   o u tp u t  i s   co m p a r ed   ag ain s t  th e  id ea l  s y m b o l  l o ca tio n s .   T h e  r o o t - m ea n - s q u a r e  E VM   an d   p h ase   er r o r   a r e  th en   u s ed   to   d eter m i n e  th e  E VM   m ea s u r e m en t o v e r   N  d em o d u lated   s y m b o l s .   I n   o th er   w o r d s ,   t h e  o u tp u t  d em o d u lated   co n s tel latio n   i s   co m p ar ed   p o in t  b y   p o in t  t o   th e  id ea l  co n s tellat io n   o f   t h e  co n s id er ed   m o d u latio n   s c h e m e  a t  th e   i n p u t  o f   t h e  m o d u lato r ,   w ith   a  r ea l  co n s ta n t  k   u s ed   to   n o r m alize   t h eir   s izes.  As  s h o w n   in   Fig u r e  3 4 ,   k ΓI N, i  an d   ΓOUT , i  r e p r esen t  th e  id ea l  n o r m alize d   an d   t h e   m ea s u r ed   s y m b o l  lo ca tio n ,   r es p ec tiv el y .   T h e  r esu lti n g   er r o r   v ec to r   is   eq u al  to   th e  d if f er en ce   b et w ee n   th e  ac t u al ,  as  m ea s u r ed ,   an d   th e  id ea l n o r m alize d   s y m b o l v ec to r s .   I f   all  s y m b o ls   ar e  p lace d   o n   a  s in g le   cir cle  ( e. g .   B P SK,   QP SK,  8   P SK,  an d   1 6   P SK)   th e  E VM   ca n   b e  m ath e m at icall y   ex p r ess ed   as:       = √ 1 ∑ |  , −   , | 2 = 1 |  , |   ( 1 0 )     I n   th is   eq u a tio n ,   ΓI N, i  i s   t h e  it h   id ea l  r ef er e n ce   co n s tellatio n   p o in t  at  t h e  m o d u lato r   in p u t,  ΓOUT , i  is   th e  d e m o d u lated   s y m b o l,  an d   N  is   th e  n u m b er   o f   u n iq u e  s y m b o ls   i n   th e  co n s tellatio n .   I t  ca n   b e  o b s er v ed   th at | Г_ ( I N, i)   | = | Г_ ( I N, m ax )   | ,   b e ca u s e  all  s y m b o ls   ar e  lo c ated   o n   a  s i n g le   cir cle.   I n   o r d er   to   u s e  a  s i m ilar   eq u atio n   f o r   o th er   m o d u latio n   s ch e m es,  t h e  E VM   eq u atio n   m u s t  b e  r e w r i tten   f o r   ea ch   p ar ticu lar   ca s e.   As  ca n   b e  s ee n   in   s ec t io n   C ,   t h e  s y m b o ls   ca n   b e  co n s id er ed   as  p la ce d   o n   co n ce n tr ic  cir cles  ( t w o   f o r   d u al - r in g ,   t h r ee   f o r   1 6   QA M,   an d   f i v e  f o r   3 2   QA M)   a n d   th eir   r ad iu s e s   ca n   b e  ea s il y   ex p r es s ed   in   ter m s   o f   o n e  an o t h er .     A ll   th e  s y m b o ls   o n   th e  in n er   ci r cles  ar e  p r o j ec ted   to   th e  ex ter io r   cir cle  u s i n g   t h e  r ad iu s   r atio   f ac to r ,   in   o r d er   t o   ev alu ate  all  p o s itio n in g   er r o r s   in   th e  s a m e  m an n er .   O th er w is e,   t h e  er r o r s   o f   s y m b o ls   clo s e  to   th e  o r ig in   ar e  less   i m p o r ta n t  i n   E VM   ca lcu latio n   if   ГI N,   m a x   is   co n s i d er ed   in   th e  d en o m in ato r   o f   ( 1 0 ) ,   as  is   o f ten   t h e   ca s e.   Fo r   ex a m p le,   i n   th e  ca s e  o f   th e  d u al - r i n g   co n s tel latio n ,   th e   s i x tee n   s y m b o ls   ar e  p lace d   o n   t w o   co n ce n tr i c   cir cles,  w it h   a  r atio   o f   R 2   /  R 1   =  2   b et w ee n   r ad i u s e s .   I f   t h e  n u m b er   o f   s y m b o ls   N   =  1 6 ,   th e   f ir s t  8   s y m b o ls   o n   th e  in n er   cir cle  ( r ad iu s   R 1 )   an d   th e  o th er   8   o n   th e  o u ter   cir cl e  ( r ad iu s   R 2 ) ,   th e  c o n s tan t  k   ca n   b e   ca lcu lated   as  f o llo w s :     = 1 16 ( 2 1 ∑ |  , | + ∑ |  , | 16 = 9 8 = 1 ) | Г  , |   ( 1 1 )     C o n s eq u en tl y ,   i f   ( 9 )   is   th e  E V M  eq u atio n   f o r   t h ese  1 6   s y m b o ls ,   th e  d u al - r in g   co n s tellatio n   b ec o m es :      = √ 1 16 ( ∑ | 2 1 ( , −   , ) | 2 + 8 = 1 ∑ |  , −   , | 2 16 = 9 ) |   , |   ( 1 2 )     A   s i m ilar   j u d g m e n t  ca n   b e  ap p lied   in   th e   ca s e  o f   o t h er   m o d u lat io n   s ch e m es,   co n s i d er in g   t h e   co n s tellat io n ’ s   co n f i g u r atio n   [ 2 1 ] .   T h e  s y m b o ls   ar e  g r o u p ed   in   cl u s ter s   ( p o s itio n ed   o n   th e  s a m e  cir cle)   an d   t h e  n o r m aliza t io n   co n s ta n t  k   is   ca lcu lated ,   u s i n g   all  s y m b o ls .   T h e  in n er   s y m b o ls   ar e  p r o j ec te d   to   th e  o u ter   cir cle   w it h   r esp ec t  to   ea ch   r ad iu s   r atio ,   as  in   ( 1 1 ) .   T h e  r esu lts   f o r   f iv e  d if f er en t  m o d u lat io n   s c h e m es  as  s h o w n   i n   Fig u r e s   2 9   to   3 3   ar e  p lo tted   in   Fig u r e  3 5 .   E VM   w as  e v al u at ed   f o r   2 1   f r eq u en cie s   o v er   t h e   1 0   GHz   b an d ,   at  1   Gb /s   d ata - r ate,   an d   1 0   s a m p le s /s y m b o ls .   As  ex p ec ted ,   b etter   p er f o r m a n ce s   w er e  o b tain ed   ar o u n d   th e  ce n tr al   f r eq u en c y ,   w it h   an   E VM   v alu e  o f   ar o u n d   2   %.  I n   th e  8 1   –   8 6   GHz   b an d   ( allo ca ted   b y   FC C   f o r   p o in t - to - p o in t   w ir ele s s   li n k s )   th e  E VM   i s   les s   th a n   7 . 5   % f o r   all  m o d u latio n s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.