DataRace – Voll integrierter dual polarisierter Gruppenstrahler
mit ultrabreitbandigem Ein-Chip-CMOS-Empfänger

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. Friedel Gerfers

Institut für Technische Informatik und Mikroelektronik

Fachgebiet Mixed Signal Circuit Design

Prof. Dr.-Ing. Georg Böck

Technische Universität Berlin

Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien

Fachgebiet Mikrowellentechnik

Prof. Dr.-Ing. Arne F. Jacob

Technische Universität Hamburg-Harburg

Studiendekanat Elektrotechnik, Informatik und Mathematik

Institut für Hochfrequenztechnik (E-3)

Das Projekt DataRace ist der Nachfolger des PolyData Projektes, in dem kompakte Transmitter für Hochgeschwindigkeitskommunikation entwickelt werden. Im Focus von DataRace steht der Empfänger, welcher für eine Basisstation nötig ist. Der Empfänger arbeitet, wie der Sender mit zwei zirkularen Polarisationen, welche unabhängig voneinander ausgerichtet werden können. Die genutzte Bandbreite erstreckt sich über das gesamte W-Band von 75 bis 110 GHz. Um den Gewinnansprüchen verschiedener Szenarien gerecht zu werden, soll der Empfänger als skalierbarer Gruppenstrahler bestehend aus Einzelstrahlern, welche eine breitbandige Antenne und CMOS-Empfänger-Chip als System-In-Package vereinen, aufgebaut werden. Dabei soll ein rauscharmer Verstärker sowie Frequenzumsetzung und Digitalisierung auf dem Empfänger-Chip implementiert werden. Das SiP aus Antenne und Chip wird in einem low-cost 3D Aufbauverfahren hergestellt.

Das Chip-Design wird von den Arbeitsgruppen von Prof. Böck und Prof. Gerfers von der TU Berlin übernommen. Frequenzumsetzende Komponenten sowie breitbandige Verstärker werden von Prof. Böcks Arbeitsgruppe entwickelt während die von Prof. Gerfers die nötigen Analog-zu-Digital Wandler entwirft. Das Antennendesign und die Systemintegration werden von der Arbeitsgruppe von Prof. Jacob der TU Hamburg-Harburg bearbeitet. Die Leistungsfähigkeit des Systems soll experimentell in Kooperation mit dem SPP1655 Projekt Tera50+ der Universität Duisburg-Essen verifiziert werden.

Technologie

In dem Projekt soll das Potenzial von günstigen Produktionsverfahren für den Massenmarkt erforscht werden. Dazu werden die aus dem Projekt PolyData bekannten Ansätze weiter verfolgt.

CMOS-Chip-Design (TUB) – Das gesamte Design von aktiven Schaltungen erfolgt in CMOS Technologie. Diese bietet einige Vorteile gegenüber anderen Technologien: Hochfrequente und digitale Schaltkreise können bis zu enorm hohen Frequenzen und Datenraten auf einem Chip vereint werden, niedriger Leistungsverbrauch, höchste Integrationsdichte dadurch geringste Chipgröße, niedrige kosten in der Massenproduktion. Laut der ITRS-Roadmap erreichen kommerziell verfügbare 28 nm CMOS Transistoren heutzutage Transitfrequenzen um 500 GHz. Daher ist der 28 nm CMOS für das DataRace Projekt geeignet.

3D Integration (TUHH) – Wie in der ersten Projektphase soll der gleiche stereolithographische Polymerprozess (RMPD® von microTEC) genutzt werden. Er erlaubt eine flexible dreidimensionale Integration von Antenne und Chip mit Genauigkeiten im Mikrometer-Bereich. Somit können parasitäre Effekte bei Verbindungen zwischen Chip und Antenne minimiert werden. Außerdem erlaubt der Prozess Luft gefüllte Bereiche zum Erstellen besonders verlustarmer Schaltungen zu nutzen. Die größte Herausforderung hierbei ist die große Integrationsdichte. Diese wird hauptsächlich von der Implementierung als Gruppenstrahler vorgegeben. Dabei ist darauf zu achten, dass die dreidimensionalen Entwürfe die vom Prozess vorgegebenen Rahmenbedingungen erfüllen. Der Herstellungsaufwand soll dabei so weit wie möglich reduziert werden ohne dabei die elektrische Performance des Systems signifikant zu verschlechtern. Vor der Fertigung bei microTEC werden Laborprototyen entworfen welche auf bekannten Methoden wie Präzisions-CNC-Fräsen oder mehrlagigen PCB Aufbauten basieren. Dieses Vorgehen hat sich in der Vergangenheit als geeignet erwiesen um Kosten und Entwicklungszeit gering zu halten.