Conclusioni
Negli ultimi tempi il mercato delle comunicazioni wireless ha spostato i suoi interessi dai sistemi di telefonia cellulare a quelli Wireless Local Area Network (WLAN), vedendo in quest’applicazione enormi potenzialità sia in termini di servizi da offrire al pubblico (si pensi alle applicazioni WLAN nell’ambito della domotica), sia in termini strettamente economici.
La realizzazione di transceiver completamente integrati costituisce un enorme vantaggio per tali sistemi, sia in termini di prestazioni che di ingombro, peso e costi. Il maggiore ostacolo al raggiungimento di tale obiettivo è costituito dal commutatore o switch d’antenna, che collega ricevitore e trasmettitore all’antenna, rispettivamente nell’intervallo di ricezione e di trasmissione. Questo dispositivo viene difatti ancora implementato in forma discreta, nelle soluzioni commerciali.
In questo contesto si pone il progetto “COFIN 2002”, un ambizioso programma di ricerca co-finanziato dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (MIUR), che fa parte dei programmi di ricerca inter-universitari (PRIN), e di cui il Prof.
B. Neri del Dipartimento dell’Informazione della Università di Pisa è coordinatore nazionale. Il progetto si pone come obiettivo la progettazione, la realizzazione ed il collaudo dell’interfaccia RF di un terminale wireless potenzialmente integrabile su singolo chip, per applicazioni nel campo della domotica. Il transceiver (ricetrasmettitore) dovrà essere multistandard, cioè compatibile con gli standard più diffusi nella banda 5-6 GHz, ed avere le caratteristiche del basso costo, basso consumo e basso inquinamento elettromagnetico.
Questo lavoro di tesi si affianca a tale progetto, con l’obiettivo di esplorare la fattibilità del commutatore di antenna innovativo, con l’utilizzo della tecnologia CMOS.
Il principio di funzionamento è basato sul circuito attivo denominato Boot-Strapped Inductor (BSI), che permette, tra le sue potenzialità, di realizzare induttori equivalenti con elevato fattore di merito con tecnologie standard al silicio (Brevetto n° PI/2003/A/000044 del 9-6-2003, Università di Pisa). Grazie all’impiego del circuito BSI, è quindi possibile superare i limiti dovuti alle perdite nel substrato, che limitano i
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176 valori massimi della impedenza di blocco (ZOFF), ottenibili lungo il percorso del segnale verso il canale indesiderato.
Sono stati inoltre progettati Low Noise Amplifier (LNA) e Power Amplifier (PA), seppure con basse prestazioni; entrambi, essendo adiacenti al commutatore d’antenna, hanno permesso una più estesa valutazione delle prestazioni offerte dal commutatore stesso. Tutti i circuiti sono stati realizzati utilizzando la tecnologia CMOS C35 (0.35 µm) di AustriaMicroSystems.
I risultati ottenuti dalle simulazioni effettuate con il CAD tool Advanced Design System, valutati alla frequenza operativa di 5.25 GHz, sono stati incoraggianti.
I principali sono:
9 rapporti ZOFF/ZON sia in fase di ricezione sia di trasmissione maggiori di 20 (in ricezione, ZOFF è l’impedenza vista in uscita allo stadio trasmettitore e ZON
quella in ingresso allo stadio ricevitore, mentre in trasmissione ZOFF è l’impedenza vista in ingresso allo stadio ricevitore e ZON quella di antenna);
9 PRTX > 11 dB e PRRX > 15 dB (PRTX = PANT/PlossLNA dove PANT è la potenza in ingresso all’antenna e PlossLNA è la potenza persa nella circuiteria d’ingresso del ricevitore, in fase di trasmissione; PRRX = PLNA/PlossPA, dove PLNA è la potenza in ingresso allo stadio ricevitore e PlossPA è la potenza persa nella circuiteria d’uscita del trasmettitore, in fase di ricezione;
9 ILTX < 3 dB e ILRX=1.5 dB, fino a 10 dBm di potenza in ingresso (ILTX = PaRF/PANT dove PaRF è la potenza disponibile del PA e PANT è la potenza in ingresso all’antenna, in fase di trasmissione; ILRX = PaRF / PLNA dove PaRF è la potenza disponibile in ingresso all’antenna e PLNA è la potenza in ingresso al ricevitore, in fase di ricezione. Se si considera la versione di IL al netto delle perdite sul trasformatore (e su parte dei dispositivi attivi), che tiene conto di realizzazioni del commutatore tramite tecnologie con substrati caratterizzati da meno perdite, ILTX < 1.2 dB e ILRX=0.15 dB.
Tali valori sono assai interessanti se confrontati con gli obiettivi prefissati, cioè ZOFF/ZON >10 sia in ricezione (RX) sia in trasmissione (TX), IL (Insertion Loss) ≤ 3 dB sia in ricezione sia in trasmissione e una Power Switch Capability (massima potenza per cui si ha il comportamento desiderato) maggiore di 10 dB sia in trasmissione sia in ricezione. Il consumo si assesta sui 78 mA, sia per il BSI RX che per quello TX.
La strada seguita in questo progetto per le applicazioni di switching sembra promettente, ma si prevede che risulterà conveniente solo con l’utilizzo di tecnologie
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177 caratterizzate da prestazioni più elevate (maggiore guadagno in corrente, minore ingombro).
I processi più recenti consentiranno di migliorare i risultati, soprattutto in termini di consumo di potenza e perdite di substrato, e permetteranno una ulteriore riduzione delle aree occupate.
In conclusione, quello che si evince dal presente lavoro è che i tempi per l’utilizzo dei MOSFET ad alte frequenze sono maturi, a patto che si impieghino tecnologie con alte prestazioni (almeno per le bande più elevate), per raggiungere l’obiettivo già individuato dalla ricerca e dall’industria, ovvero la completa integrazione del front-end radio grazie alla tecnologia CMOS.
