Smartphones hebben een schaalprobleem. Met name de radiofrequentiefilters (RF) die elke telefoon (en elk draadloos apparaat in het algemeen) gebruikt om informatie uit geïsoleerde draadloze signalen te halen, zijn te groot, te plat en te talrijk. En zonder deze filters zou draadloze communicatie simpelweg niet werken.
“Ze vormen letterlijk de hele ruggengraat van draadloze systemen”, zegt Roozbeh Tabrizian, onderzoeker aan de Universiteit van Florida in Gainesville.
Daarom hebben Tabrizian en andere onderzoekers van de Universiteit van Florida nu een alternatief driedimensionaal RF-filter ontwikkeld dat ruimte kan besparen in smartphones en IoT-apparaten. Als deze 3D-filters op een dag grote stapels 2D-filters zouden vervangen, zou er meer ruimte overblijven voor andere componenten, zoals batterijen. Ze zouden ook de verschuiving van draadloze communicatie naar terahertz-frequenties kunnen vergemakkelijken, een belangrijk spectrumbereik dat wordt onderzocht voor 6G-cellulaire technologieën.
“Binnenkort zullen biljoenen apparaten verbonden zijn met draadloze netwerken, en je hebt nieuwe banden nodig: je hebt alleen maar een hele reeks frequenties en een hele reeks filters nodig.” —Roozbeh Tabrizian, Universiteit van Florida
De filters die momenteel door draadloze apparaten worden gebruikt, worden planaire piëzo-elektrische resonatoren genoemd. Elke resonator heeft een andere dikte – de specifieke dikte van de resonator houdt rechtstreeks verband met het bereik van draadloze frequenties waarop de resonator reageert. Elk draadloos apparaat dat afhankelijk is van meerdere spectrumbanden – wat tegenwoordig steeds vaker voorkomt – heeft steeds meer van deze vlakke resonatoren nodig.
Maar de planaire resonatortechnologie heeft een aantal zwakke punten aan het licht gebracht naarmate draadloze signalen zich verspreiden en het spectrum van die signalen waarop het vertrouwt zich uitbreidt. Eén daarvan is dat het steeds moeilijker wordt om filters dun genoeg te maken voor de nieuwe spectrumbanden die draadloze onderzoekers graag willen gebruiken voor communicatie van de volgende generatie. De tweede betreft ruimte. Het wordt steeds moeilijker om alle benodigde signaalfilters in apparaten te proppen.
Verticale vinnen voor ferro-elektrische gated resonatoren kunnen op dezelfde manier worden geconstrueerd als FinFET-halfgeleiders.Faysal Hakim/Roozbeh Tabrizian/Universiteit van Florida
“Binnenkort zullen biljoenen apparaten verbonden zijn met draadloze netwerken, en je hebt nieuwe banden nodig: je hebt alleen maar een hele reeks frequenties en een hele reeks filters nodig”, zegt Tabrizian. “Als je een mobiele telefoon openklapt, zijn er vijf of zes specifieke frequenties, en dat is alles. Vijf of zes frequenties kunnen het niet aan. Het is alsof je vijf of zes straten hebt, en nu wil je het verkeer van een stad met tien miljoen inwoners huisvesten.”
Om over te stappen op een 3D-filter namen Tabrizian en zijn collega-onderzoekers een pagina uit een andere industrie die de sprong naar de derde dimensie maakte: halfgeleiders. Toen het erop leek dat de industrie, in de voortdurende zoektocht naar het verkleinen van de chipgrootte, eindelijk het einde van de weg zou bereiken, blies een nieuwe aanpak, waarbij elektronische kanalen boven het halfgeleidersubstraat werden verheven, de wet van Moore nieuw leven in. Het chipontwerp heet FinFET (voor ‘fin-effect transistor’, waarbij ‘fin’ verwijst naar een verticaal elektronenkanaal dat lijkt op de vin van een haai).
“Het feit dat we de breedte van de vinnen kunnen veranderen, speelt een grote rol bij het veel capabeler maken van de technologie.” —Roozbeh Tabrizian, Universiteit van Florida
“We waren zeker geïnspireerd [by FinFETS]zegt Tabrizian. “Het feit dat de vlakke transistors in vinnen werden veranderd, was alleen maar om ervoor te zorgen dat de effectieve grootte van de transistor kleiner was terwijl hij hetzelfde actieve gebied had.”
Ondanks dat hij geïnspireerd is door FinFET’s, zegt Tabrizian dat er enkele fundamentele verschillen zijn in de manier waarop verticale vinnen moeten worden geïmplementeerd voor RF-filters, vergeleken met chips. “Als je aan een FinFET denkt, zijn alle vinnen bijna even breed. Mensen veranderen de vingrootte niet.”
Dit geldt niet voor filters, die vinnen van verschillende breedte moeten hebben. Op deze manier kan elke veer op het filter worden afgestemd op verschillende frequenties, waardoor een enkel 3D-filter meerdere spectrale bereiken kan verwerken. “Het feit dat we de breedte van de vinnen kunnen veranderen, speelt een grote rol bij het veel capabeler maken van de technologie”, zegt Tabrizian.
De groep van Tabrizian heeft al verschillende driedimensionale filters geproduceerd, ferro-elektrische resonatoren (FGF’s) genoemd, die frequenties tussen 3 en 28 gigahertz overspannen. Ze hebben ook een spectrumprocessor gebouwd die bestaat uit zes geïntegreerde FGF-resonatoren die frequenties tussen 9 en 12 GHz bestrijken (ter vergelijking: het gewenste middenbandspectrum van 5G ligt tussen 1 en 6 GHz). De onderzoekers publiceerden hun werk in januari Natuurelektronica.
Het is nog een beginstadium voor de ontwikkeling van 3D-filters, en Tabrizian geeft toe dat er nog een lange weg te gaan is. Maar opnieuw geïnspireerd door FinFET, ziet hij een duidelijk ontwikkelingspad voor FGF-resonatoren. “Het goede nieuws is dat we al kunnen raden wat de grote uitdagingen zijn als we naar de FinFET-technologie kijken”, zegt hij.
Het integreren van FGF-resonatoren in commerciële apparaten zal op een dag het oplossen van verschillende productieproblemen vereisen, zoals het uitzoeken hoe de dichtheid van de vinnen op het filter kan worden vergroot en het verbeteren van de elektrische contacten. “Omdat we al FinFET’s hebben die veel van deze reacties ondergaan, wordt het productiegedeelte gelukkig al aangepakt”, zegt Tabrizian.
Eén ding waar de onderzoeksgroep al aan werkt is een process design kit, of PDK, voor FGF-resonatoren. PDK’s zijn gebruikelijk in de halfgeleiderindustrie en fungeren als een soort gids voor ontwerpers om chips te produceren op basis van componenten die door de chipgieterij zijn gedetailleerd.
Tabrizian ziet ook grote mogelijkheden voor toekomstige productie om FGF-resonatoren en halfgeleiders in één component te integreren, gezien hun overeenkomsten in ontwerp en productie. “Het is menselijke innovatie en creativiteit om met nieuwe soorten architecturen te komen, die een revolutie kunnen teweegbrengen in de manier waarop we denken over resonatoren, filters en transistors.”
Uit artikelen op uw website
Gerelateerde artikelen op internet