La communication à des fréquences plus élevées est un objectif perpétuellement recherché en électronique en raison des débits de données plus élevés qui seraient possibles et pour tirer parti des parties sous-utilisées du spectre électromagnétique. De nombreuses applications au-delà de la 5G, ainsi que la norme IEEE802.15.3d pour les communications sans fil, nécessitent des émetteurs et des récepteurs capables de fonctionner à près ou au-dessus de 300 GHz.

Malheureusement, notre technologie CMOS fiable n’est pas entièrement adaptée à de telles fréquences élevées. Près de 300 GHz, l’amplification devient considérablement difficile. Bien que quelques émetteurs-récepteurs basés sur CMOS pour 300 GHz aient été proposés, soit ils manquent de puissance de sortie suffisante, ne peuvent fonctionner que dans des conditions de visibilité directe, ou nécessitent une grande zone de circuit pour être mis en œuvre.

Pour résoudre ces problèmes, une équipe de scientifiques de Tokyo Tech, en collaboration avec NTT, a proposé une conception innovante pour un émetteur-récepteur CMOS à 300 GHz. Leurs travaux seront présentés dans les Digests of Technical Papers lors de l’IEEE ISSCC 2021 (International Solid-State Circuits Conference), une conférence où sont exposées les dernières avancées en matière de circuits électroniques et intégrés.

L’une des principales caractéristiques de la conception proposée est qu’elle est bidirectionnelle; une grande partie du circuit, y compris le mélangeur, les antennes et l’oscillateur local, est partagée entre le récepteur et l’émetteur. Cela signifie que la complexité globale du circuit et la surface totale du circuit requise sont beaucoup plus faibles que dans les implémentations unidirectionnelles.

Un autre aspect important est l’utilisation de quatre antennes dans une configuration à réseau phasé. Les solutions existantes pour les émetteurs CMOS 300 GHz utilisent un seul élément rayonnant, ce qui limite le gain d’antenne et la puissance de sortie du système. Un avantage supplémentaire est la capacité de formation de faisceaux des réseaux phasés, qui permet au dispositif d’ajuster les phases relatives des signaux d’antenne pour créer un diagramme de rayonnement combiné avec une directivité personnalisée. Les antennes utilisées sont des «antennes Vivaldi» empilées, qui peuvent être gravées directement sur les PCB, ce qui les rend faciles à fabriquer.

L’émetteur-récepteur proposé utilise un mélangeur sous-harmonique, qui est compatible avec un fonctionnement bidirectionnel et nécessite un oscillateur local avec une fréquence comparativement plus basse. Cependant, ce type de mixage se traduit par une faible puissance de sortie, ce qui a conduit l’équipe à recourir à une technique ancienne mais fonctionnelle pour la booster. Le professeur Kenichi Okada de Tokyo Tech, qui a dirigé l’étude, explique: «L’outphasage est une méthode généralement utilisée pour améliorer l’efficacité des amplificateurs de puissance en permettant leur fonctionnement à des puissances de sortie proches du point où ils ne se comportent plus de manière linéaire, c’est-à-dire sans distorsion. Dans notre travail, nous avons utilisé cette approche pour augmenter la puissance de sortie transmise en faisant fonctionner les mélangeurs à leur puissance de sortie saturée.  » Une autre caractéristique notable du nouvel émetteur-récepteur est son excellente annulation de la traversée de l’oscillateur local (une «fuite» de l’oscillateur local à travers le mélangeur et sur la sortie) et de la fréquence d’image (un type d’interférence courant pour la méthode de réception utilisée).

L’ensemble de l’émetteur-récepteur a été implémenté dans une zone aussi petite que 4,17 mm2. Il a atteint des débits maximum de 26 Gbauds pour la transmission et de 18 Gbauds pour la réception, surclassant la plupart des solutions de pointe. Excité par les résultats, Okada fait remarquer: « Notre travail démontre la première mise en œuvre d’un système CMOS phased array à large bande qui fonctionne à des fréquences supérieures à 200 GHz. » Espérons que cette étude nous aidera à tirer plus de jus de la technologie CMOS pour les applications à venir dans les communications sans fil!

Source de l’histoire:

Matériaux fourni par Institut de technologie de Tokyo. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.