Hochfrequenz-Schaltkreise

Die Abteilung Circuit Design am IHP forscht an siliziumbasierten Breitband- und Hochfrequenz-Schaltungen. Sie entwickelt und realisiert integrierte Mikrowellen- und Millimeterwellenschaltungen, breitbandige Mixed-Signal-Schaltungen sowie energieeffiziente Hochfrequenz-Schaltungen für Kommunikations- und Sensoranwendungen.

Das Forschungsprogramm „HF-Schaltungen“ am IHP entwickelt integrierte Schaltungen für höchste Frequenzen bis in den Sub-THz-Bereich und adressiert Kommunikation, Sensorik und Radar. Zentrale Ergebnisse sind Hochgeschwindigkeits-Datenwandler bis 60 GS/s sowie Kommunikations- und Sensorsysteme mit Datenraten im Bereich mehrerer hundert Gbit/s und Frequenzen bis 1,1 THz. Fortschritte in energieeffizienten und strahlungsharten Schaltungen erweitern die Einsatzmöglichkeiten bis hin zu Raumfahrt- und Tieftemperaturanwendungen.

Erste skalierbare Radar- und MIMO-Systeme zeigen hohe Leistungsfähigkeit, während die Überführung in großskalige Anwendungen eine zentrale Herausforderung bleibt.

Integrierte Schaltungen (Integrated Circuits, ICs) und Systems-on-Chip (SoCs) werden im Programm „RF Circuits“ für den Betrieb bei den höchstmöglichen Frequenzen für Kommunikation, Radar, Sensorik und AD/DA-Wandler entwickelt. Derzeit sind mehrere Projekte auf den Betrieb im D-Band (110–170 GHz) und J-Band (220–325 GHz) für drahtlose Datenübertragung, Radar- und Bildgebungsanwendungen ausgerichtet; dabei werden die Aspekte Datenübertragung und Sensorik häufig gemeinsam adressiert.

Noch höhere Frequenzen, z. B. 550 GHz und 1,1 THz, werden für Gasspektroskopiesysteme betrachtet. Die inhärente Strahlungsrobustheit der in den IHP-Technologien verfügbaren HBTs begründet zudem ein starkes Interesse an Weltraumanwendungen, die typischerweise im unteren Bereich des Millimeterwellen-Spektrums arbeiten, meist im Ka-Band (27–40 GHz). Für diese Systeme ermöglichen die Eigenschaften der IHP-HBTs – insbesondere der hohe Wert von Fmax – häufig einen Betrieb mit wettbewerbsfähiger Effizienz.

Kompetenzen

Millimeterwellen- und Sub-THz-Schaltungen

Die Abteilung entwickelt Sender, Empfänger und Frequenzsynthesizer für Systeme mit Betriebsfrequenzen von bis zu 1.100 GHz. Die Schaltungen werden für die SiGe-BiCMOS-Technologien des IHP entwickelt und mit diesen gefertigt. Zu den Kompetenzen zählen umschaltbare Transceiver-Schaltungen mit On-Chip-integrierten Antennen, Mehrkanalfähigkeit und Beam Steering.

Breitbandige Mixed-Signal-Schaltungen

Die Forschung konzentriert sich auf Schlüsselkomponenten für die glasfaserbasierte und drahtlose Breitbandkommunikation. Ein Forschungsgebiet ist die Entwicklung neuer Schaltungskonzepte für extrem große Signalbandbreiten und Datenraten von 100 Gbit/s und mehr.

Energieeffiziente Hochfrequenz-Schaltungen

Ein weiterer Schwerpunkt sind energieeffiziente Sende- und Empfangsschaltungen für batteriebetriebene mobile Elektronik und drahtlose Sensornetzwerke. Zu den Anwendungen zählen Kommunikation, Lokalisierung und Sensortechnologien. Ein intelligentes, anwendungsspezifisches Power Management ergänzt die Schaltungen.

Ultraschnelle Datenwandler

Ein aufstrebendes Forschungsfeld ist die Entwicklung integrierter Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler mit Abtastraten im GHz-Bereich. Zu den Anwendungen gehören die direkte Synthese hochfrequenter Signale und die digitale Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen.

Spezialisierte Schaltungen für Kommunikation und Sensorik

Zu den weiteren Kompetenzen zählen Schaltungen für die glasfaserbasierte Kommunikation, Ultra-Wideband-RFICs für Indoor-Lokalisierung, Navigation und Kommunikation, hochauflösende Millimeterwellenradare für 2D- und 3D-Anwendungen, Sub-THz-Schaltungen für die Gasspektroskopie sowie Millimeterwellensensoren für biologische und medizinische Anwendungen.

Strahlungstoleranter Schaltungsentwurf

Die Abteilung entwickelt ihre Entwurfsmethoden und Designwerkzeuge kontinuierlich weiter, um Hochfrequenz-Schaltungen auf dem neuesten Stand der Technik zu realisieren. Dazu gehört auch der strahlungstolerante Schaltungsentwurf für Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Technische Infrastruktur und Kompetenzen

Die Abteilung entwickelt Schaltungen auf Basis der SiGe-BiCMOS-Technologien des IHP und fertigt entsprechende Prototypen. Zur technischen Infrastruktur gehören:

Messaufbauten für integrierte Hochfrequenz-, Millimeterwellen- und Sub-THz-Schaltungen
Messaufbauten für Ultra-Wideband-Schaltungen
Mehrere spezialisierte und universell einsetzbare Wafer-Probestationen

Diese Einrichtungen ermöglichen die Charakterisierung von Schaltungen bei Hochfrequenz-, Millimeterwellen- und Ultra-Wideband-Frequenzen, Messungen auf Wafer-Ebene, die Montage von Prototypen sowie die Flip-Chip-Integration.