Durch kostengünstige Ein-Chip-Funkmodule in 45-nm-CMOS-Technologie ist die Technik reif für den Massenmarkt
Der 60-GHz-Funk kann kommen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Der 60-GHz-Funk kann kommen
Minimierung der CMOS-Strukturen bringt auch Probleme
Darüber hinaus wird eine Prozesstechnik wesentlich komplexer und in der Folge teurer, wenn die Strukturen schrumpfen. Damit sich der Kostenanstieg einer stark minaturisierten CMOS-Technik in Grenzen hält, sollten sich neuartige Architektur- und Schaltungskonzepte auf geringen Flächenbedarf und passende Gehäusestrategien für die Modulintegration fokussieren. Die Gehäusetechnik eines 60-GHz-Transceivers, seine Verbindung mit der Antenne und die Antennenauslegung sind entscheidende Faktoren für ein kostengünstiges, aber leistungsfähiges System.
Die Schwankungsbreite unterschiedlicher Parameter als Folge der stetigen CMOS-Skalierung ist ebenfalls zu berücksichtigen. In dem Maße, in dem die Transistoren kleiner werden und sich atomaren Dimensionen nähern, führen auch Toleranzen im atomaren Bereich während des Prozesses zu stärkeren Streuungen der Transistorparameter. Diese Toleranzen sind sehr schwer kontrollierbar. Die daraus resultierende Unsicherheit bezüglich der Leistungsmerkmale der Trasistoren nimmt mit stärkerer Miniaturisierung des Prozesses immer weiter zu.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass 60-GHz-Funkmodule aus stark skaliertem CMOS ein schlechtes Signal/ Rausch-Verhältnis (SNR, signal to noise ratio) aufweisen. Der Grund dafür liegt in der hohen Signalbandbreite und einer Betriebsfrequenz, die nur ein Viertel der Transitfrequenz fT (ab der ein Transistor keine Stromverstärkung zeigt) beträgt. Zusammen mit der begrenzten Ausgangsleistung einer CMOS-Endstufe von etwa 10 dBm beschränkt dies auch das Link-Budget. Für einen leistungsfähigen Betrieb sind also digitale Kalibrierung und Kompensation der hochfrequenten Unvollkommenheiten von CMOS nötig. Schließlich sind noch Analog/Digital-Wandler (ADC) mit hoher Abtastrate, mittlerer Auflösung und niedrigem Leistungsbedarf zu entwickeln.
Neue Ein-Chip-HF-Module für 60 GHz
Vor diesem Hintergrund hat sich IMEC zum Ziel gesetzt, bis 2010 für die zweite Generation echter 60-GHz-Ein-Chip-Module eine HF-Transceiver-Architektur zu entwickeln, die auf einfacher digitaler Deep-Submicron-CMOS-Technologie (45- bis 40-nm-Geometrie) beruht. Diese Ein-Chip-Funkmodule werden optimal von der hohen Transitfrequenz der CMOS-Skalierung profitieren können. Ihre Zero-ZF-Architektur, die Datenraten von mehr als 10 GHz schafft, wird durch kleine Fläche, niedrige Komplexität und große Flexibilität bezüglich der Frequenzplanung und Kanalbündelung (abstimmbare Tiefpassfilter) ausgezeichnet. Neben dem hohen Integrationsgrad wird sie bezüglich der Antennenanzahl skalierbar sein und sowohl Einträger- als auch Mehrträger-Betrieb unterstützen.
Die Realisierung eines digital gesteuerten Empfänger-Frontends für 57 bis 66 GHz, ebenfalls in digitaler Deep-Submicron-CMOS-Technologie, gilt als erster wichtiger Schritt der F+EBereiche von IMEC. Mit seiner geringen Fläche, der Stromaufnahme von nur 19 mA bei 1,1 V Versorgungsspannung, dem optionalen ESD-Schutz und volldigitaler Steuerung ist er besonders für Phasen-Array-Systeme geeignet. Der Prototyp besteht aus einem rauscharmen Empfänger und einem Abwärtsmischer. Darüber hinaus enthält er schon eine programmierbare Phasenschieberfunktion unterschiedlicher Eingangssignale, die für eine Strahlformung genutzt werden kann.
- Der 60-GHz-Funk kann kommen
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