Vaiheistettujen antenniryhmien RF-etupäiden suunnittelu CMOS SOI -teknologialla millimetriaaltotaajuisiin tietoliikennejärjestelmiin

Väitöskirjassa tutkitaan seuraavan sukupolven langattoman tietoliikenteen radiotaajuusalueella (RF) toimivia etupääpiirejä ja esitetään suunniteltuja prototyyppipiirejä. RF-etupääpiiri muodostaa pullonkaulan langattoman linkin kantamassa ja kapasiteetissa, sillä sen lähetysteho ja vastaanottoherkkyys määrittävät koko radiojärjestelmän lähetystehon ja vastaanottimen herkkyyden ja siten kokonaissuorituskyvyn.

Työssä esitetään analyysimenetelmä, jonka avulla selvitetään, miten kantoaaltotaajuus, datanopeus ja linkkietäisyys liittyvät toisiinsa modernin piipohjaisen puolijohdeteknologian (CMOS) suorituskyvyn rajoissa. Tulokset osoittavat, että kantoaaltotaajuus kasvaa lähes suoraan suhteessa datanopeusvaatimuksiin, ja linkin kantamavaatimus määrittää linkin energiankulutuksen. Merkittävä tulos on, että nykyinen CMOS-teknologia mahdollistaa jopa yli 100 Gbps:n (sadan miljardin bitin sekunnissa) langattomat yhteydet, joita seuraavan sukupolven (6G) verkkojen ennustetaan tarjoavan.

RF-etupääpiirejä suunniteltiin ja mitattiin kaksi 28 GHz:n taajuudella ja yksi 150 GHz:n taajuudella. Ensimmäinen 28 GHz:n piiri kuluttaa erityisen vähän virtaa vastaanottotilassa ja integroitu antennikytkin käyttää hyvin vähän tilaa tehostaen piiristä valmistuksen kustannustehokkuutta. Antennikytkin mahdollistaa saman antennin käyttämisen sekä lähetykseen että vastaanottoon. Toinen 28 GHz:n etupääpiiri on osa kokonaista lähetinvastaanotinjärjestelmäpiiriä, joka on ollut tärkeänä tutkimusalustana Oulun yliopistolla tulevaisuuden vaiheistettujen antenniryhmien järjestelmien kehityksessä. Kolmannella, 150 GHz:n taajuudelle suunnitellulla etupääpiirillä, koeteltiin CMOS-teknologian äärirajoja. Sen suorituskyky yltää parhaiden kirjallisuudessa raportoitujen CMOS RF-etupääpiirien tasolle.