Новые системы обработки изображений и беспроводной связи с высокой пропускной способностью стали на один шаг ближе к реальности благодаря усилителю миллиметрового диапазона, изобретенному в Калифорнийском университете в Сан-Диего и представленному 11 февраля 2009 года на Международной конференции по твердотельным схемам. (ISSCC) в Сан-Франциско, Калифорния.
Новый усилитель на основе кремния знаменует собой прогресс в создании систем беспроводной связи высокой пропускной способности, которые будут работать на частотах миллиметровых волн (70-110 ГГц) и могут обеспечивать скорость передачи данных до 10 гигабит в секунду на километр. Для этой цели новый усилитель обеспечивает как высокий коэффициент усиления (возможность увеличивать громкость сигнала), так и высокую пропускную способность (возможность делать это в широком диапазоне тонов). Он имеет прямую линию передачи от входа к выходу, которая переносит электромагнитные волны без искажений по поверхности кремниевого чипа. «Этапы» усиления вдоль этой линии передачи повышают мощность сигнала, отслеживая амплитуду сигнала и генерируя обратную связь всего за триллионные доли секунды, обратную связь, которая вводит дополнительную энергию в фазе сигнала. Усилитель обеспечивает рекордное усиление 26-30дБ на частоте 100ГГц и позволяет волне распространяться по поверхности чипа.
Джеймс Баквалтер, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего, изобрел усилитель и назвал его каскадным усилителем конструктивной волны.
«Каскадное конструктивное усиление волны - это новая архитектура схемы, которая может подтолкнуть кремний к новым режимам работы, близким к фундаментальным ограничениям закона Мура, и обеспечить сверхвысокие скорости передачи данных, которые предлагает миллиметровый диапазон длин волн электромагнитного спектра», - пояснил Бакуолтер.
Миллиметровый диапазон длин волн электромагнитного спектра относительно не изучен для коммерческого использования, отчасти потому, что было сложно и дорого построить необходимые высокочастотные усилители. Например, для многих современных усилителей миллиметрового диапазона требуются экзотические и дорогие полупроводниковые материалы.
«Мы изучаем, как кремний может играть роль на частотах, превышающих 100 гигагерц. Преимущество кремния заключается в том, что он позволяет недорого интегрировать микроволновые, а теперь, возможно, и миллиметровые компоненты», - сказал Бакволтер.
A для усиления
Современные системы Wi-Fi и WiMax работают на частоте 2,5-5 ГГц и способны обрабатывать мегабиты информации в секунду. «Если вам нужны более высокие скорости передачи данных, вам нужно найти способы беспроводной передачи информации со скоростью, превышающей ту, которая доступна на частоте 2,5 гигагерца. Этот новый усилитель нацелен на открытие частотных диапазонов миллиметровых волн, где доступна гораздо большая пропускная способность и где более высокие данные Возможна скорость передачи до 10 гигабит в секунду на километр», - пояснил Бакволтер.
Беспроводная связь «точка-точка» - это недорогой подход к получению скорости оптического волокна. «Вы можете использовать этот метод усиления для усиления сигнала на частоте 100 гигагерц от передатчика вашего интернет-провайдера, а также от приемника в вашем доме для обнаружения сигнала», - объяснил Бакволтер..
Отзывы укрощают волну
Самое классное в этом чипе то, что это первый раз, когда бегущие волны усиливаются вдоль непрерывной линии передачи… мы нашли новую архитектуру, которая обеспечивает более высокий коэффициент усиления, чем предполагалось для волн, распространяющихся вблизи со скоростью света на кремниевых чипах», - сказал Бакволтер.
Этапы периодического усиления вдоль линии передачи имеют решающее значение для процесса усиления. Они контролируют волны по мере их распространения по линии передачи и спонтанно вводят энергию в волну, не прерывая ее распространения по линии передачи.
В частности, сила волны постоянно контролируется на выходе каждого каскада усиления. Обратная связь обеспечивается через быстрый транзистор, который подает энергию на вход линии передачи и поражает волну с этой энергией на 2,5 триллионных доли секунды позже - четверть периода волны. Таким образом, волна постоянно усиливается, беспрепятственно проходя через каждую из ступеней усиления вдоль линии передачи.
Эта новая конструкция усилителя заметно отличается от существующих технологий усилителей. Новый каскадный конструктивный волновой усилитель обеспечивает высокий коэффициент усиления - коэффициент усиления сигнала увеличивается экспоненциально с увеличением количества ступеней усиления - без поглощения и регенерации волновой энергии. Каскадные усилители, которые можно найти во всех сотовых телефонах, также имеют высокий коэффициент усиления, но они поглощают и восстанавливают сигналы.
«Мы взяли волну, которая распространяется по поверхности кремния со скоростью, близкой к скорости света, и нашли способ усилить мощность сигнала, не прерывая волну», - сказал Бакволтер. «Мы нашли способ укротить миллиметровые волны на кремнии».
ISSCC 2009 Цитата из статьи: «Усиление 26 дБ, 100 ГГц Si/SiGe каскадный усилитель на конструктивной волне», авторы Джеймс Бакволтер и Джухва Ким из Департамента электротехники и вычислительной техники Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего.