LTCC-BASED RF FRONTENDS FOR WLAN APPLICATIONS AND RADIO-OVER-FIBER SYSTEMS

DISS. ETH No. 17483

      LTCC-BASED RF FRONTENDS FOR WLAN
 APPLICATIONS AND RADIO-OVER-FIBER SYSTEMS

                      A dissertation submitted to
                             ETH ZURICH

                           for the degree of
                          Doctor of Sciences

                             presented by
                          LUCA PERGOLA
  Laurea in Ing. Elettronica, Universita degli Studi di Cagliari, Italy
                        born October 11, 1974
                             citizen of Italy

                accepted on the recommendation of
                   Prof. Dr. R. Vahldieck, examiner
                 Prof Dr. W. Bächtold, co-examiner

                                  2007

Abstract

In the last decade, the deployment of wireless technologies and devices
experienced a tremendous growth. Wireless Local Area Networks (WLANs),
in particular, underwent a fast development with the first WLAN standard
defined in 1997 by the IEEE 802.11 group. The installation of a WLAN
requires careful analysis of the issues related to the deployment and
maintenance of the network. In particular, the realization of the access points
(APs) for the interfacing between the mobile users (MUs) and the wired
Ethernet infrastructure, is a challenging problem. A typical AP embeds RF
functionalities to enable the connection to the MUs and, moreover, contains
the required hardware for the demodulation of the RF digital stream and its
conversion into the Ethernet baseband digital signal. A WLAN infrastructure
is commonly realized by deploying a certain number of APs over the site to
be covered. This approach can be affordable in office or house environments,
where in most cases only one access point is needed, but shows several points
of weakness when considering the implementation of WLANs over huge
areas. In this case a large number of APs is required to achieve total
coverage, leading to an expensive infrastructure with respect to both
installation and maintenance. A valid alternative consists in the realization of
a distributed antenna system (DAS), which makes use of a central unit with
access point functionalities and of RF transceivers distributed over the site.
The interconnection between an RF base station and the central unit is
commonly realized by means of optical fibers, due to their outstanding
performances with respect to both attenuation and bandwidth. A DAS which
makes use of fiber optics is referred to as a radio-over-fiber (RoF) system.
Both multimode and single mode fibers are used, the choice being driven by
the length of the links. Thus, a RoF base station, besides realizing basic RF
transceiving functionalities, should embed also an optical unit. The
challenges in the realization of such a transceiver are multiple: a suitable
technology has to be envisaged, which allows for both the integration of an
efficient RF frontend and the packaging of an optical interface into the same
module; moreover, compactness and cost effectiveness are mandatory. Multi
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chip module (MCM) technologies offer an optimal trade off between
compactness and reliability; additionally, the costs are affordable and suitable
to a mass production scenario. Among MCM technologies, low temperature
co-fired ceramic (LTCC) has shown in the last decades a considerable growth
as a reliable technique for the realization of ultra-compact modules. With its
outstanding three-dimensional capabilities, LTCC enables the integration and
interconnection of passive microwave components and active integrated
circuits.
This work focuses on the realization of RoF base stations in LTCC.
Transceivers using both single mode fibers (Chapter 4) and multimode fibers
(Chapter 5) are presented. Especially the problems related to the alignment
between the fibers and the active optical devices (i.e. light sources and
photodetectors) are investigated and solutions are proposed. A smart antenna
module aimed at improved performance of a WLAN link is also proposed
(Chapter 6) and the advantages coming from an LTCC-based design are
highlighted. The resulting array of active antennas is compatible with a RoF
approach.
The novel solutions described in the thesis contribute to the improvement of
the state of art in the design of WLAN base stations. For the first time single
mode fibers have been integrated into an LTCC module which embeds full
RF functionalities. Moreover, a novel technique for the realization of an
LTCC RF active antenna module with integrated polymer optical fiber has
been proposed. The base station makes use of a vertical electro-absorption
transceiver and only one fiber is used for both the up and downlink to the
central unit. The result is a compact and reliable module particularly
indicated for fiber-in-the-house applications.

ii

Riassunto

Negli ultimi dieci anni si é verificata una notevole crescita delle tecnologie e
dei dispositivi wireless. In particolare, le Wireless Local Area Networks
(WLANs) sono state protagoniste di un processo di rapida evoluzione, a
partire dalla definizione del primo standard (IEEE 802.11) nel 1997.
L’installazione di una WLAN richiede un’attenta analisi delle problematiche
relative alla collocazione e manutenzione dei diversi componenti della rete.
Uno degli aspetti più critici nella progettazione riguarda la realizazzione degli
access points (APs), che costituiscono il collegamento tra gli utenti mobili e
la rete fissa (Ethernet). Un tipico AP é dotato di un front-end per la ricezione
e trasmissione del segnale radio e, inoltre, contiene i dispositivi necessari
all’interfacciamento con la rete Ethernet. Una WLAN può essere costruita
installando un certo numero di APs in modo da raggiungere una copertura
uniforme del sito in cui si realizza la rete. Questo tipo di approccio é
conveniente solo all’interno di uffici o in ambito domestico, dove le distanze
sono dell’ordine delle centinaia di metri e solitamente é sufficiente
l’installazione di un solo access point. Una soluzione più economica deve
invece essere adottata nella progettazione di WLAN realizzate in vasti spazi e
nelle quali é richiesto un elevato numero di access points al fine di garantire
una copertura adeguata. L’utilizzo di un distributed antenna system (DAS)
costituisce una valida alternativa che porta ad una notevole riduzione dei
costi legati sia all’installazione sia alla manutenzione della rete. Un DAS é
costituito da un’unità centrale, contenente l’hardware necessario
all’interfacciamento della rete wireless con quella fissa, a cui sono connesse
le base stations. L’unità centrale riveste il ruolo di access point mentre le base
stations sono semplicemente dei front-end a radio frequenza. Una tecnica di
tipo DAS che utilizzi connessioni a fibre ottiche viene definita radio-over-
fiber (RoF). Le fibre utilizzate da un sistema RoF possono essere sia
monomodali sia multimodali, a seconda dell’applicazione e delle distanze in
gioco. Ogni base station di un RoF deve pertanto essere dotata di
un’interfaccia ottica, necessaria alla conversione del segnale elettrico in luce
e vice versa. Le problematiche da affrontare in questo caso sono diverse:
innanzitutto deve essere scelta una tecnologia che consenta la coesistenza di
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un ricetrasmettitore RF e di un’interfaccia ottica affidabile all’interno dello
stesso modulo; inoltre deve essere raggiunto un alto livello di compattezza
con costi contenuti. Le tecnologie MCM (multi chip module) offrono un
ottimo compromesso tra affidabilità e compattezza ed i loro costi sono
compatibili con una produzione su scala industriale. Tra le tecnologie MCM,
la LTCC (low temperature co-fired ceramic) é stata protagonista, nell’ultimo
decennio, di una grande crescita ed é divenuta una tecnologia affidabile per la
realizzazione di dispositivi notevolmente compatti. La possibilità di
realizzare moduli caratterizzati da complesse geometrie tridimensionali rende
la tecnologia LTCC particolarmente adatta all’integrazione ed
interconnessione di componenti a microonde attivi e passivi.
In questa tesi vengono descritte alcune soluzioni per la realizzazione di base
stations per reti RoF in tecnologia LTCC. Particolare attenzione é posta nella
risoluzione dei problemi collegati all’allineamento delle fibre con i
componenti ottici attivi. Una base station compatibile con un sistema RoF e
che utilizza la tecnica smart antenna per il miglioramento delle prestazioni
della connessione wireless é inoltre descritta.
Le soluzioni innovative trattate in questa tesi contribuiscono ad accrescere lo
stato dell’arte nella progettazione di base station per WLANs. Per la prima
volta delle fibre monomodali sono state integrate in un modulo LTCC dotato
di un ricetrasmettitore a radio frequenza. Inoltre é stata proposta una tecnica
innovativa per la realizzazione di una base station che utilizzi una sola fibra
di materiale polimerico per effettuare sia la trasmissione sia la ricezione. Il
risultato é un modulo notevolmente compatto e particolarmente adatto
all’utilizzo in ambiente domestico.

iv