Under tiden möter forskare de utmaningar som millimetervågor innebär. Els Parton, André Bourdoux och Piet Wambacq från IMEC ger här en inblick i sitt forskningsprojekt kring 60 GHz kommunikation. Mot bakgrunden av den uppståndelse kring 60 GHz som nu råder skall man inte glömma bort att kommunikation på dessa frekvenser har förekommit en tid, mera specifikt inom James Bond-sfären, för bergsäker kommunikation, och för militär satellit-till-satellit- kommunikation.
Traditionellt bygger 60 GHz radiokonstruktioner på extraordinär karakterisering av galliumarsenidmaterial.
Idag har framgångarna inom kiselprocessteknik (CMOS) möjliggjort mindre transistorer med högre switchhastighet, vilket gör dem till mer realistiska kandidater för analoga kretsar i 60 GHz radiodelar. Fördelen med ett analogt ingångssteg i CMOS, i stället för GaAs, är att detta kan integreras med digitalt basband på samma chip.
Så blir det möjligt att skapa en enkretsradio för 60 GHz. Teknik för James Bond kommer inom räckhåll för konsumenter. De första demonstratorerna för 60 GHz radio bygger på snabba kretsar i kiselgermanium, SiGe. Men det är troligt att andra generationens radiolösning byggs på ett enda CMOS-chip. Detta skulle kunna debutera på marknaden under 2010.

Varför 60 GHz

Under 2001 allokerade den amerikanska myndigheten FCC (FederalCommunications Commission) ett 7 GHz brett frekvensområde på det licensfria 54-64 GHz-bandet. Det innebär att operatören inte behöver spendera tid och pengar på att få en licens från den nationella telemyndigheten och att privata användare kan använda bandet utan avgift.

Dessutom kan detta band användas över hela världen vilket innebär att en harminisering runt 60GHz är möjlig. Se fig 1.

Fig 1. Frekvensallokering av 60 GHz bandet i olika delar av världen

Naturligtvis är den största fördelen den stora bandbredden runt 60 GHz. Denna möjliggör höghastighets trådlös överföring med en kapacitet långt utöver den man kan få på lägre frekvensband. En uppenbar nackdel med 60 GHz kommunikation är dess utbredningsdämpning, men det är också en fördel vid korthållskommunikation: Det ger högre immunitet mot interferenser, hög säkerhet och återanvändning av frekvensområdet.

En värld av möjligheter

Tänk att kunna få datahastigheter på upp till 5 Gbit/s över 3 till 5 m avstånd, trådlöst! Låt oss begränsa oss till de tillämpningsområden som IEEEs  standardiseringskommittéer anger:
• Trådlösa gränssnitt för högupplösta multimedia (HDMI). Okomprimerad video kan trådlöst sändas från en DVD-spelare till en plattskärm.
• Snabb upp- och nedladdning av högupplöst video. Användare kan ladda ned högupplösande filmer från en videokiosk till en mobil enhet. Eller kan han hemma
ladda ned en film från en mobil enhet till datorn.
• Trådlösa dockningsstation. En laptopdator kan vara trådlöst kopplad till nätverk, till display, yttre drivenhet, skrivare, digital kamera etc.

Fig 2. Ett applikationsområde för 60 GHz trådlös kommunikation är snabb upp- och nedladdning av filmer med hög upplösning.

Många utmaningar

Det finns en rad frågor att lös, inte minst tekniska, innan vi kanse kommersiella produkter

1). Radiodel för 60 GHz i CMOS.
Denna ger massor av möjligheter, men också rader av tekniska frågor att lösa. En tiopotens högre frekvenser innebär stora utmaningar för konstruktörer av analoga kretsar och antenner. Än värre blir det när man dessutom tänker utveckla en enkretslösning i CMOS för 60 GHz radiokretsar. För att maximalt utnyttja den höga gränsfrekvens, fT, som skalning möjliggör, gör IMEC sina konstruktioner i en 45 nm process, snarare än 65 eller 90 nm.
Det finns flera begränsningar som komplicerar uppbyggnaden av 60 GHz radioingångar. För det första kan uteffekten från CMOSeffektförstärkare knappast vara högre än 10 dBm. För det andra gäller att eftersom fT inte är mer än fyra gånger högre än signalfrekvensen så kommer brusfaktorn att vara ytterst hög. Genom att åstadkomma ”beamforming” med flera antenner kan denna sak tonas ned,. IMEC har demonstrerat en 2-antenners mottagare i 90 nm CMOS på ISSCC 2008, och konstruerar nu en 4-antenners mottagare i 45 nm CMOS.

2) Hög variation av arbetsfrekvenser.
En annan utmaning är den stora bandbredden, 7 GHz, som 60 GHz radion måste täcka. Detta betyder att operationsfrekvensen kan variera 15 procent jämfört med 3 procent för WiFi (från 2,4 till 2,485). Detta är speciellt svårt för antenn och ingångskretsar. Särskilt gäller det syntetisatorn: För att få 15 procents avstämningsområde får man problem med parasitkapacitanser.

3) A/D och DSP på hög frekvens.
Den tredje faktorn är att A/D- och D/A-omvandlare måste arbeta med hög samplingsfrekvens på ungefär 4 Gsa/s med en upplösning av 5 eller 6 bit. Detta är svårt att realisera i CMOS, speciellt med låg effektförbrukning. IMEC presenterade på ISSCC2008 en 5 bit 1,75 Sa/s flashomvandlare med ett en energi av bara 50fJ per omvandlingssteg. Detta är tre gånger bättre än de tidigare bästa rapproterade omvandlare med över 500 MSa/s. I denna konstruktion klarar man att hålla nere huvuddelen av effekten och ytan genom att använda vikningsteknik med en faktor 2, med bara dynamisk effektförbrukning och utan att använda förstärkare. På detta sätt kunde flashomvandlaren tillverkas i CMOS. Den upptog mindre än 110×150 µm2 yta. Mätningar på 1,75 GSa/s med en minsta signifikant bit (LSB) på 25 mV visar en INL (integral non-linear) och DNL (differential non-linearity) mellan -0,28/+0,24 respektive -0,29/+0,26 LSB. Även för radions DSP är den höga samplingshastigheten en utmaning.

4)Lågt S/N.
Ett fjärde problem i en radiolösning för 60 GHz är signal/brusförhållandet (S/N). Orsaken till detta är tvåfaldig: Med den höga bärvågsfrekvensen följer låg mottagningen effekt och hög bandbredd (2 GHz vid 60 GHz kommunikation). Detta leder till högt brus vilket innebär att systemet arbetar med ett lågt S/N. IMEC har löst detta problem med att tillämpa fasstyrda antennmatriser. Den fullständiga, CMOS-bestyckade prototypen med flera antenner utnyttjar ett programmerbart fasskift för olika inkommande signaler, vilket är nödvändigt för styrning av antennbeamen. IMECs lösning bygger på fyra antennsträckor. Var och en har bestående av lågbrusförstärkare och nedblandare. Man använder en kvadratursignal från en enchips i kvadratur spänningsstyrd oscillator (QVCO). Denna QVCO-konstruktion
kombinerar den högsta oscillatorfrekvens, med största möjliga avstämningsområde, som rapporterats för CMOS. För mycket krävande applikationer i fråga om datahastighet krävs det stora antennmatriser. Ytterligare en synpunkt är att beam-styrning är viktigare för uppkopplingar (t ex HDMI) än för nomadiska tillämpningar (videokiosker) eftersom problemet i det senare fallet delvis kan lösas genom att flytta den portabla enheten närmare videokiosken.

5) Tre fysiska lager inom 60GHz-standarden.
Den femte, och sista, utmaningen för 60 GHz kommunikation är att konstruktörer måste se upp med det faktum att standarden kommer att innefatta tre fysiska lager (PHY) och två OFDM-varianter, var och en med sina (olika) förutsättningar. Det leder till att man tvingas konstruera och implementera olika algoritmer för frekvensutjämning, antennsignalföljning och datainsamling.

Els Parton, André Wambacq
och Piet Wambacq, IMEC

 Källa Elektronik i Norden Nr 13 2008 (2008-09-19)