Pieter Edelman
29 March 2009

Nu de WLan-communicatiebanden beginnen vol te raken, komt er steeds meer focus op het gebied rond 60 gigahertz, waar nog een brede band vrij is. Bij deze hoogfrequente banden is een enkele antenne niet meer genoeg en moeten meerdere elementen samenwerken in een array. TUE-promovendus Iwan Akkermans onderzocht de verbinding en integratie van antennes op een printplaat met de RF-chip.

Wie vandaag de dag een draadloos netwerk probeert op te zetten, zal zich in goed gezelschap zien. Vaak gonst het in een ruitjeshuis of flat van de WLan-signalen, wat vaak leidt tot interferentie. WLan speelt zich met name af in een ongelicenseerde band van 100 MHz rond 2,4 GHz. En dat terwijl veel meer consumentenelektronica zich opmaakt voor onderlinge draadloze communicatie, bijvoorbeeld dvd-spelers en settopboxen die hun content naar een tv oversturen.

Rond 60 GHz is er echter nog bandbreedte zat. ’Daar zit een band van vijfduizend megahertz, je kan daar een factor tien tot honderd aan snelheidswinst halen‘, vertelt TUE-promovendus Iwan Akkermans. ’Rond de 60 GHz absorbeert waterdamp namelijk de straling, dus dat is voor veel commerciële toepassingen niet interessant. Die demping wordt echter pas significant op kilometers afstand. Op tientallen meters is dat verwaarloosbaar.‘ Recent is die 60 GHz-band in het bereik van consumentenelektronica gekomen, door de schalingswet van Moore. De krimpslagen in CMos-technologie maken IC‘s mogelijk die met deze hoge frequentie overweg kunnen.

Nadelen zijn er ook. ’Er zitten nog wel heel veel haken en ogen aan, want je bent bezig op de grenzen van wat CMos kan. Dat maakt het bijvoorbeeld lastig om veel vermogen te genereren‘, legt Akkermans uit. ’Daarnaast is de grootte van je antenne altijd gerelateerd aan de golflengte. Die wordt dus heel klein bij hoge frequenties en ontvangt daardoor maar heel weinig.‘ Overigens is dat ook wel een voordeel: een applicatie krijgt een heel compacte antenne die goed weg te werken is op de printplaat.

Flipchip

Die antenne, dat was het onderwerp van Akkermans promotieonderzoek. Om het totale vermogen op te schroeven, is voor veel toepassingen een enkele antenne niet genoeg. Een batterij aan samenwerkende antennes biedt dan soelaas. Die moet wel zo eenvoudig mogelijk in het fabricageproces opgenomen kunnen worden. Het liefst in CMos. ’Maar dat bleek niet haalbaar. Silicium absorbeert namelijk de straling, waardoor de efficiëntie veel te laag is.‘

 advertorial 

Raising the pillars of digital transformation

The electronics industry is fast approaching a new era of digital transformation. In this new paradigm, digital technologies create new business processes, cultures and customer experiences by bringing together all the aspects of product design, including mechanical and electrical, and streamlining the entire design process – from product inception all the way through to manufacturing.

In plaats daarvan koos Akkermans ervoor de antenne-elementen op het PCB te plaatsen. Het eerste probleem daarmee was de verbinding met de chip. ’Hoe hoger de frequentie, hoe sneller de grootte van je structuur in de buurt komt van je golflengte. De impedanties moeten dus heel goed gematcht zijn, anders begint het direct te stralen en verlies je vermogen‘, legt hij uit. Met uitgebreide modellering wist hij hier zijn vingers achter te krijgen. Onder meer een differentiële verbinding biedt een oplossing. ’Dit probleem zat ook behoorlijk in de weg bij het meten. Normaal schroef je een connector aan je antenne, maar op zestig gigahertz is zo‘n connector te groot en geeft te veel verliezen. Daarom moesten we op RF-probes overstappen, die gebruik je normaal om chips te karakteriseren.‘

De antenne-elementen moeten samen aan bundelvorming doen om het gewenste vermogen gericht naar de ontvanger te sturen. Ze mogen elkaar echter niet in de weg zitten. ’Als ze naast elkaar zitten, geven ze verstoring. Dit kan je oplossen door de koppeling te verlagen door ze in de juiste configuratie te plaatsen‘, legt Akkermans uit. Uiteindelijk kwam Akkermans uit op een configuratie waarbij er zes elementen in een cirkelvorm geplaatst zijn. ’Eerst hadden we er zeven, met een extra element in het midden, maar die gaf te veel koppeling.‘ Met de zes elementen wist hij efficiënte verzending te realiseren over de gehele frequentieband van 5 GHz.

De volgende stap was om de antenne-array te integreren met de radio-front-end. Ook hier speelde het hoogfrequente ontwerp Akkermans weer parten. ’Normaal zou je de RF-chip met wire-bonding verbinden. De draden zijn dan echter te inductief, dus je moet flipchiptechnologie gebruiken. Daar heb je stijve keramische PCB-materialen voor nodig. Dat botst een beetje met eisen aan de materialen vanuit de RF-kant.‘ Uiteindelijk wisten hij en zijn collega-promovendus die aan de versterkers en fasedraaiers werkt alles te integreren in een enkel discreet component.

Een kant-en-klaar product is er daarmee nog niet, vertelt Akkermans, die ondertussen op zoek is naar een baan in het bedrijfsleven. ’Er is nog geen complete front-endchip en misschien wil je ook nog naar meer antenne-elementen. Maar we hebben wel aangetoond dat deze concepten direct toepasbaar zijn voor uitbreiding naar een commercieel product.‘