DAAB - Auf dem Chip integrierte verteilte Verstärker und Antennen Systeme in lokaler Rückseiten-geätzter SiGe BiCMOS Technologie für Empfänger mit ultragroßer Bandbreite

Antragsteller

Prof. Dr.-Ing. Frank Ellinger

Technische Universität Dresden

Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik

Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie

Prof. Dr.-Ing. Dirk Plettemeier

Technische Universität Dresden

Institut für Nachrichtentechnik

Lehrstuhl Hochfrequenztechnik

Zusammenfassung

In diesem Projekt werden neuartige verteilte Verstärker- und Antennen-Konzepte im Frequenzbereich von 100 bis 300 GHz untersucht, welche die relative Bandbreite (Bandbreite/Mittenfrequenz) von drahtlosen Empfängern massiv erhöhen. Wir gehen davon aus, dass selbst bei diesen sehr hohen Frequenzen relative Bandbreiten von bis 50 % realisierbar sind. Dies würde eine Verbesserung um einen Faktor 3 im Vergleich zum Stand der Technik bedeuten. Somit können mit diesen Modulen Datenraten über 100 Gb/s übertragen werden. Die Antennen werden auf dem Chip integriert, um die Verbindungsverluste zu reduzieren und neuartige verteilte Konzepte zu ermöglichen. Die schnellste verfügbare BiCMOS Technologie, derzeit mit einer maximalen Schwingfrequenz von mindestens 500 GHz, wird eingesetzt. Die Substratrückseiten werden lokal abgeätzt, um die Verluste zu minimieren. Bandbreitenerhöhungstechniken wie z.B. induktives Peaking und kontrolliertes positives Feedback werden untersucht, um die Verstärkung bei höchsten Frequenzen zu erhöhen. Das Projekt wird durch 2 Lehrstühle durchgeführt, welche umfangreiche interdisziplinäre Kompetenzen im Bereich von hochfrequenten Kommunikationssystemen, integrierten Schaltungen und Antennen haben. Es werden analytische Modelle für die neuartigen Antennen, Verstärker sowie Systeme hergeleitet und durch experimentelle Hardware verifiziert. Wir werden verschiedene Ansätze untersuchen und vergleichen, z.B.

  1. Integration eines breitbandigen verteilten Verstärkers mit einer breitbandigen nichtresonanten Antenne. Dieser Ansatz dient als Benchmarking.
  2. Neuartige Architektur die auf mehreren Antennen (z.B. gestockten Vivaldi- oder linearen, aufgeweiteten Schlitzantennen) basiert, welche sich auf verschiedenen Metallebenen befinden. Dadurch erhöht sich die Bandbreite und der Signalempfang lässt sich beispielsweise in senkrechter Richtung fokussieren. Jede Antenne treibt einen verteilten Verstärker. Die Ausgangssignale der Verstärker werden durch eine verteilte Schaltung addiert. Durch Schalten, Phasenverschiebung und Verstärkungskontrolle der Antennenpfade ist eine Steuerung der Antennencharakteristik möglich.
  3. Neuartige Architektur mit einer Vivaldi Antenne mit mehreren Speisepunkten, die verschiedene Impedanzen und daher verschiedene Mittenfrequenzen aufweisen. Die Signale die an diesen Speisepunkten anliegen werden durch frequenzskalierte Verstärker verstärkt und durch eine verteilte Schaltung addiert. Da diese Verstärker nur eine moderate Bandbreite benötigen, können diese jeweils für eine hohe Verstärkung und/oder geringen Leistungsverbrauch optimiert werden. Aufgrund der verteilten Struktur ist trotzdem eine hohe Systembandbreite möglich.
  4. Konzept basierend auf einer Antenne mit lokal verteilten Antennenanschlüssen, so dass sich eine gleichmäßigere Feldverteilung, geringere maximale Feldstärken und damit geringere Verluste ergeben.