Hocheffiziente mm-Wellen-Transceiver mit multifunktionalen, sphärischen, dielektrischen Resonatoren auf dem Chip zur gleichzeitigen Verwendung als Antenne und Resonator mit hoher Güte

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger; Professor Dr. Jan Hesselbarth
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544642611

Millimeterwellen-(mmW)-Transceiver sind ein Schlüssel für die zukünftige Kommunikationstechnik. Die Transistoren profitieren von der Skalierung. Allerdings schränken die Verluste von Resonatoren und Verbindungen die Möglichkeiten ein. Externe dielektrische Resonatoren stellen eine vielversprechende Lösung dar, da sie sehr hohe Güten (> 1000) bieten, sowie weitere Funktionalität, z.B. als Antenne, sowie effiziente Chip-Kopplungen ermöglichen. In SPHERE zeigten wir, dass eine verlustarme, dielektrische Kugelantenne direkt auf dem Chip an einen integrierten BiCMOS-Leistungsverstärker (PA) gekoppelt werden kann und zudem eine sehr effiziente 4-zu-1-Leistungsaddierung bietet. Dadurch konnten wir ein Rekord-Wirkungsgrad von 14,2 % bei 100 GHz und 20 dBm messen. Mittels On-Chip-Kopplung mit einem BiCMOS-Oszillator zeigten wir ein geringes Phasenrauschen bis zu -115 dBc/Hz bei 10 MHz. Typische Transceiver benötigen 4 Kugeln: 1 für Antenne und Leistungsaddition, sowie 1 für Oszillator, sowohl im Sender (TX) als auch im Empfänger (RX). Im Folgeprojekt SPHERE 2 haben wir folgende, weiterführende, neue Ziele: 1. Analyse sowie experimentelle Demonstration, dass die Moden für den Antennenbetrieb (inkl. Leistungskombination) und den Resonanzbetrieb für rauscharme Oszillatoren gleichzeitig in derselben Kugel koexistieren können. Dadurch verringert sich die Systemgröße. Dies erfordert neuartige Entwurfsstrategien, z.B. um sicherzustellen, dass der Antennenmodus nicht den Resonatormode beeinflusst. Unerwünschte Kopplungen müssen auf < -40 dB minimiert werden. Um diese Grundidee zu verifizieren, führten wir erste vielversprechende Machbarkeitssimulationen durch. 2. Basierend auf (1) entwerfen wir BiCMOS-TX- & RX-Schaltungen, welche die spezifischen Eigenschaften (z.B. Q, Schnittstellen, Impedanzen & Kopplung) der multifunktionalen dielektrischen Kugel berücksichtigen und nutzen und dabei sowohl Antennen- als auch Resonatorfunktionalität ermöglichen. Die ICs profitieren wie folgt: PA durch verlustarme Antennenverbindung und Leistungsaddierung; rauscharmer Verstärkerpfad aufgrund verlustarme Antennenverbindung sowie höherer Linearität durch Leistungsteilung; und Oszillator, durch hoch-gütigen Resonator. Auf- und Ab-Mischer werden für (3) entworfen. 3. Aufbauend auf (2) implementieren wir ein Transceiver-Frontend (inkl. Antennen) mit Multifunktionskugeln im TX als auch RX, um eine Datenübertragung zu demonstrieren, die von den akkumulierten Vorteilen profitiert. Mit SPHERE 2 sind viele Forschungsfragen verbunden, z.B.: Welche Schaltungsarchitekturen können Vorteile optimal nutzen, z.B. die hohe Güte? Wie hoch ist unerwünschtes Übersprechen zwischen Moden? Einfluss? Wie minimieren? SPHERE 2 kombiniert die komplementären Kompetenzen von Team Hesselbarth bzgl. HF-Systemdesign und dielektrischen Kugel-Resonatoren mit dem Wissen von Gruppe Ellinger bzgl. mmW-BiCMOS-IC-Design.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen