Ученые из Tokyo Tech разработали конструкцию передатчика с фазированной решеткой для диапазона 300 ГГц. Об этом сегодня сообщает techxplore. Особенность разработки - эффективное использование площади, низкое энергопотребление и высокая скорость передачи данных. Такие особенности могут позволить создать на его основе различные технологические приложения, включая возможности "просвечивания" человеческого тела, радаров, беспроводной связи 6G, различных датчиков.

Сегодня частоты выше 250 ГГц в мире, как правило, остаются нераспределенными. Вместе с тем, атмосфера планеты на этих частотах отличается сравнительно небольшим поглощением электромагнитного излучения, что обеспечивает потенциал чрезвычайно высоких скоростей передачи данных.

Микрофотография чипа передатчика. Размер - менее 10 кв.мм. Источник: Токийский технологический институт

Поскольку электромагнитные волны при распространении при удалении от источника быстро затухают, от передатчика важно добиваться способности формировать высокую плотность мощности радиолуча. В последние годы появлялись различные решения, но в передатчиках на основе традиционных КМОП-технологий не получалось добиться одновременно высокой выходной мощности сигнала при небольшой занимаемой на кристалле площади.

Исследовательская группа под руководством профессора Кеничи Окада (Kenichi Okada) из Токийского технологического института (Tokyo Tech) и корпорации NTT недавно разработали передатчик для диапазона 300 ГГц, который выгодно отличается параметрами. Результаты будут представлены на Международной конференции по твердотельным схемам IEEE 2024.

Предлагаемое решение - это передатчик, интегрированный с фазированной антенной решеткой, состоящей из 64 излучающих элементов, объединенных в 16 ИС, каждая из которых обслуживает 4 антенны. Элементы устройства расположены в объеме, за счет использования пакета печатных плат. Это позволяет с помощью передатчика формировать СВЧ луч, управляемый как по вертикали, так и по горизонтали. Если достаточно быстро управлять таким лучом, можно эффективно работать с множеством приемников, на которые требуется доставить цифровой сигнал.

Компактный передатчик с фазированной решеткой и встроенными антеннами. Благодаря выбранной топологии и компоновке схемы, предлагаемые микросхемы передатчиков могут быть объединены в массив из 64 элементов, занимающий минимальный объем. Источник: Токийский технологический институт

В разработке используются так называемые антенны Вивальди. Особенность этих антенн в том, что они отлично подходят для СВЧ, работают в широком диапазоне частот, их можно формировать непосредственно на поверхности полупроводникового кристалла, при этом они показывают высокую эффективность в передаче сигнала. Другая особенность решения - использование архитектуры PA-last, когда усилитель мощности расположен в конце приемного или передающего тракта. В частности, в передатчике, производится усиление уже обработанного и подготовленного к излучению сигнала непосредственно перед антенной. Это приводит к росту эффективности работы передатчика. Исследователи также постарались справиться с такими известными проблемами традиционной схемотехники КМОП, как высокое сопротивление затвора и большие паразитные емкости. В рамках борьбы с этими явлениями, были добавлены дополнительные пути стока и переходные отверстия, а также изменена геометрия узлов, причем элементы размещены между слоями металла.

По сравнению со стандартной архитектурой транзистора, в предлагаемой схеме уменьшены паразитное сопротивление и емкость транзистора", - отмечает профессор Окада. "Эти меры позволили увеличить с 250 ГГц до 300 ГГц граничную частоту усиления транзистора (transistor-gain corner frequency).

Кроме этих инноваций, команда разработала и испытала многокаскадный усилитель мощности, способный работать с частотами 300 ГГц, который будет использовать каждая антенна. За счет точного согласования импеданса между каскадами, усилители демонстрируют выдающиеся характеристики. По заявлению проф. Окады предлагаемые усилители мощности показывают усиление более 20 дБ в диапазоне 237-267 ГГц с крутой частотой среза (sharp cut-off frequency), что обеспечивает высокую селективность, позволяя эффективно защищаться от помех.

Предложенный усилитель имеет коэффициент шума 15 дБ в диапазоне 300 ГГц. В тестах была достигнута скорость передачи 108 Гб/c, что заметно больше, чем удавалось получить в других разработках передатчиков для этого диапазона. 

Завершая описание разработки, стоит отметить эффективно используемую площадь разработки по сравнению с другими конструкциями на базе КМОП, а также ее низкое энергопотребление, что, как ожидается, позволит применять ее для различных миниатюрных приложений, которые должны работать с ограниченными по мощности источниками энергии. Учитывая возможность применения хорошо технологически отработанной КМОП-технологии и миниатюрные размеры разработки, ее в теории нетрудно и недорого можно будет производить серийно. 

--

За новостями телекома и IT удобно следить в телеграм-канале abloud62. Региональные новости и анонсы пресс-релизов вы найдете в канале abloudRealTime, также подключайтесь к каналу Бойко про телеком ВКонтакте

теги: микроэлектроника 6G шестое поколение терагерцовый терагерцевый терагерцы радиоэлектроника приемопередатчики фазированные антенные решетки 

--