Adaptive Integrierte Millimeterwellen Sender

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger; Professor Dr.-Ing. Thomas Zwick
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394221495

Millimeterwellen Technik ermöglicht hohe Datenraten bei limitierter Reichweite. Reichweite und Datenrate können durch den Einsatz von multiplen aktiven Pfaden bei erhöhter Leistungsaufnahme massiv gesteigert werden. In ADAMIS wollen wir neue Architekturen und Methoden für Millimeterwellen Systeme untersuchen, um das Optimum aus Datenrate, Reichweite und DC Leistungsaufnahme unter Anwendung von Adaptivität auf System-, Schaltung- und Bauteilebene zu erreichen. Zu diesem Zweck soll ein adaptives Sender-Frontend entwickelt werden, bei dem mehrere Pfade schalt- und einstellbar sind. Für sehr kurze Übertragungsdistanzen in der Größenordnung weniger Zentimeter (z.B. für on-Board Kommunikation) und/oder niedrige Datenraten ist nur ein Antennenpfad mit niedriger Richtwirkung aktiv. Die Schaltung arbeitet somit in einem Energiesparmodus, der Vektormodulator ist deaktiviert. Für große Distanzen (bis zu 10 m) und/oder hohe Datenraten (bis zu 50 Gb/s) sind alle aktiven Antennenpfade incl. Vektormodulator für die Strahlschwenkung aktiviert und alle Schaltungen arbeiten mit maximaler Verstärkung und Ausgangsleistung. Die verstärkungsabhängige Phase der einstellbaren Verstärker des Vektormodulators macht eine komplexe Steuerung notwendig. Zur Lösung werden wir fortgeschrittene Technologien untersuchen, z.B. indem einzelne Stufen mit inversem Fehler kaskadiert werden. Zum besseren Verständnis und zur Optimierung, sollen analytische Beschreibungen für die relevanten Transferfunktionen abgeleitet werden.Um die Parameter (Anzahl der Pfade, Leistung und Vektor) einzustellen, untersuchen und vergleichen wir zwei Ansätze: zuerst, indem die Parameter und die gemessene Empfangsleistung oder Bitfehlerhäufigkeiten bei Millimeterwellen Frequenzen analysiert werden, und zweitens, mit einem 2/5 GHz Radar für die Positionierung des Senders und Empfängers. Damit kann der optimale Abstrahlwinkel und die Distanz zuverlässig abgeleitet werden. Die neueste IHP BiCMOS Technologie wird für die Entwicklung des 220-270 GHz Frontends eingesetzt. Jeder Pfad besteht aus Antenne, Leistungsverstärker, Vektormodulator, Mischer, Frequenzvervierfacher und einem binären Phasenmodulator. Unterschiedliche Antennenstrukturen und Aufbaukonzepte werden untersucht. Um den entwickelten Sender zu testen wird ein Empfänger aus dem bestehenden Laborequipment eingesetzt. Um die Leistungsaufnahme zu minimieren und um die Realisierung eines komplett integrierten Senders unter Berücksichtigung der limitierten Projektressourcen zu gewährleisten, werden wir uns auf BPSK (binary phase shift keying) Modulation beschränken. Dies kann mit annähernd vernachlässigbarer Leistungsaufnahme umgesetzt werden, indem die Phase ausgenutzt wird. Somit sind keine energiehungrigen Datenkonverter notwendig. Die große Bandbreite von bis zu 50 GHz ermöglicht Datenraten bis zu 50 GB/s. In dem Modus für niedrige Datenraten und/oder geringe Distanzen ist ein extrem energiesparsamer Betrieb möglich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen