Commutatore di antenna integrato in tecnologia CMOS per WLAN a 5-6 GHz

Negli ultimi tempi il settore delle comunicazioni wireless (senza fili) ha subito una enorme espansione, sia in termini di servizi offerti, che di soluzioni tecnologiche atte a supportare le nuove richieste del mercato. Si è verificata una estesa diversificazione dei tipi di accesso alle reti disponibili, con l’obiettivo di costituire una sorta di “wireless network globale”, grazie al quale rendere disponibile ovunque un collegamento continuo, possibilmente tramite lo stesso dispositivo portatile. A questo scopo sono stati definiti molti standard (GSM, UMTS, WiMAX, UWB, Bluetooth, WiFi, IEEE 802 etc.), i quali si affidano agli sviluppi della ricerca, per la creazione di piattaforme software ed hardware in grado di consentire la loro interoperabilità. Le WLAN (Wireless Local Area Network) sono fra gli attori principali di questa rivoluzione, che è già in atto. Si tratta di reti di telecomunicazioni locali costituite da elaboratori posti a breve distanza e collegati tramite onde radio. Tali reti vengono utilizzate in ambienti circoscritti (stabili di abitazioni, aziende, ospedali, uffici pubblici, ecc.) e lavorano alle frequenze tipiche delle bande ISM (Industrial Scientific Medical). L’affollamento dello spettro elettromagnetico ha obbligato gli standard più recenti a prevedere sistemi che operano intorno a portanti sempre più alte, come per esempio tra 5 e 6 GHz, per cui gli sforzi tecnologici sono rivolti alla realizzazione di circuiti che si comportino in modo efficiente a tali frequenze. Nel campo delle WLAN, così come nell’ambito della telefonia cellulare, il principale obiettivo dei progettisti è la realizzazione di un ricetrasmettitore completamente integrato, e pertanto a basso costo, sfruttando sia i progressi tecnologici, sia soluzioni architetturali sempre più funzionali. I componenti esterni, spesso costosi, sono infatti causa di ingombro e degradazione del segnale. Uno di questi, che impedisce la realizzazione di un front-end completamente integrato, è il commutatore d’antenna, il quale permette il collegamento dell’antenna al modulo di ricezione e di trasmissione. Alle radiofrequenze, le perdite dovute alla limitata resistività del substrato rappresentano un grande ostacolo alla realizzazione di dispositivi in grado di realizzare elevate impedenze di blocco per il segnale, in particolare, da o verso l’antenna. Pertanto, il switch d’antenna viene ancora implementato mediante tecnologie costose (GaAs, InP, etc.), ed è presente sul mercato come componente discreto. Obiettivo di questo lavoro di tesi è esplorare la fattibilità di un commutatore d’antenna completamente integrato in tecnologia CMOS standard (pertanto a basso costo) per WLAN tra 5 e 6 GHz. Questo lavoro prende parte al progetto “COFIN 2002” (co-finanziato dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca, MIUR), che ha come fine proprio la realizzazione di un ricetrasmettitore, totalmente integrato su un singolo chip, per applicazioni domotiche. Verranno presentati i commutatori d’antenna, evidenziando le principali metriche che li caratterizzano e le tipologie usate nei ricetrasmettitori a singola antenna. Si descriverà l’ambiente di simulazione: verranno illustrate le potenzialità del software utilizzato e saranno fatti degli esempi sull’uso dello stesso. Sarà discussa la tecnologia CMOS ed il suo impiego alle radiofrequenze, e come giungere ad una descrizione semplificata per piccoli segnali, ricavata a partire dalla più complessa model BSIM3v3, attualmente utilizzata dai simulatori. Verrà affrontata la progettazione circuitale del Low Noise Amplifier e del commutatore d’antenna. Si sfrutterà il principio su cui si basa il BSI (Boot Strapped Inductor), un circuito attivo in grado di offrire un comportamento equivalente a quello di un induttore ad elevato fattore di merito, e che impiega un trasformatore ed un amplificatore di corrente [4.1]. Il principio di funzionamento del BSI, per la realizzazione di un commutatore di antenna integrato per terminali mobili, è oggetto di un brevetto di cui è depositaria l’Università di Pisa (Brevetto n° PI/2003/A/000044 del 9-6-2003). Si presenteranno infine i risultati delle simulazioni e si daranno le conclusioni e le indicazioni utili per il successivo miglioramento del dispositivo