~ 108 ~ 6. Conclusioni

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Il presente lavoro di tesi si è incentrato sullo studio di fattibilità di due elementi chiave per la realizzazione del front-end di un ricevitore wireless completamente integrato, compresa l’antenna. Il sistema completo dovrà operare alla frequenza di 60 GHz, in ambito short-range, coprendo quindi un’area utile di diversi metri e con data-rate di diversi Gbit/s.

Partendo dal processo produttivo CMOS SOI a 65 nm della STMicroelectronics, si è lavorato alla realizzazione dell’antenna, del Low Noise Amplifier (LNA) e di altri componenti passivi, necessari alla progettazione complessiva del sistema di ricezione.

Elemento di novità introdotto dalla realizzazione integrata della struttura radiante e del LNA è stata la possibilità di avvalerci di un ulteriore grado di libertà in fase di progettazione che è stato conseguito svincolando il progetto dalla necessità di realizzare dispositivi con impedenza d’ingresso a 50 Ω. In tal modo, nella progettazione del LNA è stato possibile operare in modo da massimizzare il guadagno disponibile e minimizzare la cifra di rumore del dispositivo, occupandoci poi di adattare l’impedenza d’ingresso con un opportuno dimensionamento dell’antenna. Inoltre, trattandosi di realizzazione integrata per applicazioni mobili, le scelte progettuali sono state orientate anche a minimizzare l’area occupata ed il consumo di potenza.

Avvalendoci del simulatore 3D-EM HFSS della Ansoft sono state progettate e simulate due differenti topologie di antenna integrata in silicio, una dipole antenna ed una double- slot antenna. La prima adotta come feeding-line una stripline coplanare (CPS), scelta che ci consente una progettazione molto semplice ed in più ci permette di usufruire di una linea di tipo bilanciato, dandoci la possibilità di alimentare il LNA con un segnale già di tipo differenziale. L’occupazione di area è pari ad appena 0.254 mm2, rendendola ideale per l’integrazione su chip.

La seconda struttura radiante realizzata, invece, impiega quale feeding line una guida

d’onda coplanare (CPW), che è di per se una linea di tipo sbilanciato o “single-ended”. A

fronte di una area occupata di 1 mm

questa seconda antenna presenta alto guadagno ed

alta direttività, abbinate ad un comportamento frequenziale molto particolare. Si

evidenziano diversi punti di risonanza, che cadono in prossimità di differenti range

frequenziali di interesse; il che ci porta a concludere che la struttura radiante potrebbe

essere impiegata in varie applicazioni wireless, dopo un minimo lavoro di “tunig”

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aggiuntivo. La double-slot antenna qui realizzata soffre però di una banda di lavoro relativamente stretta, circa 900 MHz, che è comunque sufficiente per applicazioni di tipo RFID (Radio Frequency IDentification). Inoltre, col proposito di rendere differenziale il segnale “single-ended” ricevuto in antenna è stato progettato un trasformatore integrato a presa centrale, inserito poi all’interno dello schema circuitale del LNA.

Per quanto riguarda la progettazione del LNA, servendoci dell’ambiente di lavoro SpectreRF della Cadence Design System, sono state portate a termine due possibili realizzazioni circuitali. Una prima realizzazione si è basata sull’adozione del canonico approccio progettuale che prende in esame, tra gli altri parametri, anche il dimensionamento dell’impedenza d’ingresso del dispositivo ai consueti 50 Ω. Il flusso di progetto così originato ha portato alla preparazione di un LNA su 3 stadi, con guadagno di potenza di 23 dB, cifra di rumore di circa 4 dB e un consumo di soli 35 mW.

La seconda realizzazione è stata invece orientata a massimizzare il guadagno disponibile e minimizzare la cifra di rumore del dispositivo, preoccupandoci solo in un secondo momento di adattare l’impedenza d’ingresso con un opportuno dimensionamento dell’antenna. L’esecuzione di questo secondo flusso di progetto ha generato un LNA su 2 soli stadi, caratterizzato da un consumo di potenza inferiore di circa il 25% rispetto al primo, pur raggiungendo prestazioni equiparabili, cioè un guadagno di potenza di 22.8 dB ed una cifra di rumore inferiore a 4.9 dB. In più, questa topologia conta di un numero inferiore di elementi passivi, cosa che ci porta a supporre un minor impegno di area su chip.

Concludendo, il lavoro svolto ha presentato risultati oltre modo incoraggianti nell’ambito

della realizzazione di un sistema di ricezione RF operante in un intorno dei 60 GHz, in

grado di gestire un link wireless con una banda utile di alcuni GHz, e di conseguenza

rendendo possibile un trasferimento dati con velocità dell’ordine di diversi Gbit/s.