BiCMOS-Chip erreicht stabilen Frequenzbereich von bis zu 370 GHz

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Der von Omeed Momeni und Hossein Jalili an der University of California in Davis entwickelte Prototyp eines Phased Array Chip verspricht Bandbreiten von bis zu 52 GHz.
Der von Omeed Momeni und Hossein Jalili an der University of California in Davis entwickelte Prototyp eines Phased Array Chip verspricht Bandbreiten von bis zu 52 GHz. (Bild: Maria Ines Perez-Vargas/UC Davis.)

Ingenieure der UC Davis, Kalifornien, haben einen neuartigen Chip entwickelt, der in einem Frequenzbereich von bis zu 370 GHz mit 52 GHz Bandbreite arbeitet und so einen extrem hohen Datendurchsatz von mehreren Dutzend Gigabit pro Sekunde erreicht. Dies könnte eine neue Generation an Bausteinen für die Bereiche Kommunikation, Sensorik oder Bildverarbeitung ermöglichen.

Mit einer zunehmenden Zahl an schnurlos vernetzten Geräten, die mit dem Internet kommunizieren, und einem steigenden Bedarf an höheren Geschwindigkeiten nimmt auch langfristig die Notwendigkeit für Kommunikationsbausteine mit mehr Bandbreite in einem exponentiellen Maße zu. Die aktuell geläufigen 4G- oder LTE-Standards stoßen dabei im Zeitalter von Cloudcomputing immer mehr an die Grenzen des Möglichen. Auch in Feldern wie Sensorik und Bildverarbeitung, in denen es um höhere Auflösungen oder ein umfassenderes Datenspektrum geht, werden ICs nötig, die einen breiteren Frequenzbereich abdecken können.

Der experimentelle Chip, den der Computer- und Elektroingenieur Omeed Momeni, Assistenzprofessor der UC Davis, und Doktorand Hossein Jalili entwickelt haben, könnte diese neue Generation einläuten. Der Baustein stützt sich auf ein Phased-Array-Antennensystem. Die Technologie bündelt die Energie, die von verschiedenen Quellen eingeht, in einen konzentrierten Funkstrahl, der genau gelenkt und gezielt gerichtet ausgestrahlt werden kann.

Der Prototyp, ein 0,13 µm bipolarer CMOS-Chip (BiCMOS) aus Siliziumgermanium (SiGe), arbeitet in einem Frequenzbereich zwischen 318 und 370 GHz und erreicht somit eine durchgängig stabile Bandbreite von 52 GHz. Dies verspricht einen neuen Generationsschritt hin zu stabilen Kommunikationsystemen mit höherer Bandbreite zu erreichen. Der aktuelle 4G- und LTE-Standard arbeitet beispielsweise generell in einem Frequenzbereich zwischen 800 MHz und 2,6 GHz, mit Bandbreiten von bis zu ca. 20 MHz..

„Phased Arrays sind relativ schwierig zu gestalten, ganz besonders im hochfrequenten Bereich“ sagt Momeni zu seiner Entwicklung. „Wir sind die ersten denen es gelungen ist, so viel Bandbreite in einem so hohen Frequenzbereich zu erreichen.“

Um dies zu ermöglichen, haben die Entwickler auf dem Chip eine 2x2 Array Struktur mit vier Oszillatoren, die ein stehendes Wellenfeld (standing-wave; SW ) erzeugen,geschaffen. Je zwei Halbzellen-Oszillatoren stehen sich dabei gegenüber und sind durch Übertragungsleitungen in den Kollektoren und sogenannte λ/4-Leitungen an den Emittern von Transistoren miteinander gekoppelt.

Die Entwickler präsentierten ihren Chip-Prototypen auf der 2017 IEEE International Solid-State Circuits Conference in einem Aufsatz mit dem Titel „A 318-to-370GHz Standing-Wave 2D Phased Array in 0.13μm BiCMOS“.

„In der Theorie haben mobile 4G-Netzwerke bereits ihr Datenratenlimit erreicht,“ meint Momeni zu der Notwendigkeit seiner Prototypen-Entwicklung. „Mit der fortschreitenden Migration auf Systeme wie Cloud Computing und Mobilfunknetze der nächsten Generation wächst der Bedarf an Geschwindigkeit. Höhere Frequenzen bedeuten mehr Bandbreite, und mehr Bandbreite bedeutet höhere Datenraten.“

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