< Terug naar vorige pagina

Project

Polymeren microgolf vezel communicatie links

De laatste jaren groeien de mogelijkheden om volledige communicatiesystemen – die werken aan millimetergolf frequenties – te integreren in één enkele zenderontvanger. Dit is voornamelijk te danken aan de continue verkleining van nanometer CMOS technologie. Zoals beschreven door de wet van Moore worden transitoren alsmaar kleiner, hierdoor kunnen deze zelfs boven de 100 GHz schakelen. De hogere frequentie vergroot de bandbreedte, met snellere communicatie tot gevolg. De CMOS transistoren worden verkleind met het oog op goedkopere chips, maar ze zijn verre van geoptimaliseerd voor deze millimetergolf frequenties. Draadloze communicatie is daarom enkel mogelijk

voor korte afstanden, wat niet zo interessant is.

Elektromagnetische (EM) golven propageren niet uitsluitend in de vrije ruimte. Een polymeren microgolf vezel (PMF) werkt als een golfgeleider en doet perfect dienst als millimetergolf transmissiekanaal. De vezel geleidt de EM golf en bundelt de energie. Het idee ontstond in de jaren 60, maar snelle geïntegreerde schakelingen waren toen niet voor handen. Het idee om EM golven doorheen een polymeren vezel te sturen kon enkel op lage frequenties aangetoond worden

– beneden de 10 GHz – met als gevolg dat de diameter van de vezel enkele centimeters groot was en de zenderontvanger erg groot in omvang was. Vandaag de dag, 60 jaar later, is het mogelijk om te communiceren tussen twee goedkope zenderontvangers doorheen een polymeren vezel aan millimetergolf frequenties – in dit geval 120 GHz.

Gebaseerd op de combinatie van drie goedkope elementen – (1) standaard CMOS zenderontvanger chips, (2) geïntegreerde antennes in de chips en (3) polymeren vezels met lage verliezen – zal een nieuwe fysieke laag voor communicatiesystemen besproken worden. Dit nieuwe communicatiesysteem is competitief met de huidige koperen communicatietechnieken en glasvezel. Materialen met lage verliezen op millimetergolf frequenties worden gebruikt en het voorgestelde kanaal is hierdoor bruikbaar voor communicatie over enkele meters. Daarbovenop laat het gebruik van zulke hoge frequenties ons toe om de 

antenne in de chip of verpakking te integreren, ook de bandbreedte zal hierdoor verhogen. In deze thesis zullen zowel de mogelijkheden, de ontwerpuitdagingen en de performantie van deze link met hoge datasnelheden behandeld worden.

Eerst wordt een 160 GHz, drietraps, transformatorgekoppelde, volledig differentiële vermogenversterker gepresenteerd met single-ended in- en uitgang in 40nm CMOS. De millimetergolf ontwerp- en layoutuitdagingen worden in detail besproken. Een combinatie van verschillende technieken wordt voorgesteld en uitvoerig besproken. Een getrapt gate-verbindingsnetwerk is geoptimaliseerd om de versterking van één enkele versterkingstrap te vergroten. Slow-wave transmissielijnen en geïntegreerde transformatoren vormen de matchingnetwerken. Capacitieve neutralisatie in combinatie met een serieweerstand in de bias lijnen garandeert de stabiliteit.

Een flip-chip verpakkingstechniek wordt voorgesteld als alternatief voor de conventionele bondwire verpakking. Deze laatste is minder geschikt voor hoogfrequente toepassingen, wat de flip-chip techniek superieur maakt. De resultaten van de experimenten worden gestaafd door metingen.

Daarna worden twee 120 GHz simplex PMF links geïmplementeerd in 40nm CMOS. Zowel het kanaal, de antenne als de elektronische circuits worden uitvoerig besproken en complementaire meetresultaten worden in detail geanalyseerd. De werking van het PMF concept wordt aan de hand van vier demo’s aangetoond. Elke demo toont een specifieke mogelijkheid of eigenschap. Met de demo opstellingen worden verschillende onderdelen en materialen vergeleken en kunnen eigenschappen zoals connector-uitlijning of kanaalverliezen bestudeerd worden.

In een laatste hoofdstuk staat duplex communicatie centraal. Tweerichtings- communicatie doorheen hetzelfde medium berust op orthogonale eigenschappen tussen beide richtingen, zodat deze steeds te onderscheiden zijn. Drie PMF voorbeelden zijn uitgewerkt op 120 GHz: (1) een elektrisch gebalanceerde duplexer (EBD), berustend op orthogonale modes, (2) een directionele koppelaar als substraat geïntegreerde golfgeleider, gebruik makend van orthogonale propagatie en (3) een in-band full-duplex (IBFD) ortho-mode transducer (OMT) met orthogonale polarisatie. De 120 GHz IBFD PMF zenderontvanger heeft een geïntegreerde antenne en een instelbare EBD. De chip is geïmplementeerd in 40nm CMOS. Zowel simulatie- als meetresultaten worden gerapporteerd.

Deze studie draagt bij aan de kennis rond communicatie doorheen polymeren microgolf vezels. Het verschaft inzichten in millimetergolf zenderontvanger ontwerp, polymeren kanalen en antennes. Uiteraard moeten er eerst nog verscheidene vragen beantwoord worden en verschillende stappen gezet worden alvorens er een eerste PMF product op de markt zal komen. 

Datum:1 okt 2012 →  8 feb 2018
Trefwoorden:PMF, mm-Wave
Disciplines:Nanotechnologie, Ontwerptheorieën en -methoden
Project type:PhD project