Компактные кристаллы выявляют и усиливают электронные сигналы

 

Подобно маленькому ключику, открывающему дверь в подземелье с несметными сокровищами, крошечный полупроводниковый кристалл, называемый монолитной интегральной микросхемой СВЧ-диапазона (СВЧ-ИС; monolithic microwave integrated circuit, MMIC), способен открыть жадным до полосы пропускания приложениям обработки сообщений новое огромное частотное пространство.

На данной фотографии вы можете видеть созданную специалистами лаборатории твердотельной электроники факультета электроники и вычислительной техники Мичиганского университета в Анн-Арборе монолитную СВЧ-ИС, работающую в непростом для производителей такой аппаратуры частотном диапазоне 130 ГГц. Фотография увеличена: размеры оригинала всего 1х1,2 мм.

Последнее событие в этой области  -  объявление фирмы Triton Network Systems об использовании СВЧ-ИС в широкополосной беспроводной компьютерной сети, обеспечивающей корпоративных пользователей надежной интегрированной системой обмена цифровыми данными и голосовыми сообщениями по вполне разумной цене.

 

В производстве СВЧ-ИС находят применение такие экзотические материалы, как арсенид галлия и кремний на сапфировой подложке. Для того чтобы из них получались компактные кристаллы, способные генерировать, обрабатывать, обнаруживать и усиливать электромагнитные сигналы с частотой колебаний в десятки миллиардов в секунду, т. е. свыше 10 ГГц, необходима сверхточная технология производства. На таких частотах за один период электромагнитной волны сигнал проходит расстояние всего в несколько десятков миллиметров. Для сравнения: сигнал второго канала телевидения за период проходит несколько метров, а сигнал радиовещательной станции, использующей амплитудную модуляцию,  -  несколько сотен метров.

 

Поскольку размеры радиоантенны прямо пропорциональны длине волны, очень малые длины волн позволяют строить сложные антенны (с высоким коэффициентом направленного действия) при сохранении компактности и приемлемой стоимости.

 

Такая антенна способна сфокусировать практически всю мощность передатчика в один узкий луч, сократив при этом общие затраты энергии на обеспечение необходимой интенсивности сигнала в точке приема, удаленной на заданное расстояние. В тех случаях, когда антенну достаточно однажды сориентировать и больше ее положение можно не менять, например при организации двухточечных связей между зданиями, это дает существенное преимущество.

 

Тот же высокий коэффициент направленного действия помимо повышения эффективности передающей системы обеспечивает и подавление помех от внешних источников, расположенных за пределами основного лепестка диаграммы направленности антенны, что способствует повышению качества сигнала. Кроме того, это затрудняет и радиоперехват без размещения подслушивающего оборудования вблизи прямой линии, соединяющей приемник и передатчик.

 

Помимо малой длины волны, СВЧ-сигналы привлекательны еще и тем, что их высокая частота позволяет передавать данные на большой скорости. Чистая, немодулированная несущая не может нести никакой полезной информации со скоростями передачи, превышающими ее собственную частоту. Более того, по мере наложения на несущую полезной информации спектр получающегося сложного сигнала “размазывается” по радиодиапазону, становясь тем шире, чем выше скорость передачи полезных данных. Так, например, сигнал одного телевизионного канала занимает в радиоспектре полосу шириной 6 МГц  -  больше, чем какой-нибудь коротковолновой радиостанции вроде “Голоса Америки” требуется на все ее передачи. Соседство по частоте с подобными высоконагруженными каналами может оказаться крайне неприятным в декаметровом (от 3 до 30 МГц) диапазоне; с ростом числа таких станций они способны очень быстро заполнить метровый (30 - 300 МГц) и дециметровый (300 - 3000 МГц) диапазоны. Но на частотах свыше 10 тысяч мегагерц для них уже находится значительно больше пространства, а узконаправленные антенны позволяют даже близко расположенным пользователям работать на одних и тех же частотах.

 

Борьба с утечками

 

СВЧ-сигналам приходится, однако, бороться с атмосферной влагой, которая вызывает их сильное затухание, тогда как метровым и дециметровым сигналам с этой стороны совершенно ничто не угрожает. Да и разработчикам аппаратуры приходится сталкиваться с особыми сложностями.

 

Например, проводок, проложенный для обеспечения соединения между двумя блоками в СВЧ-передатчике или приемнике, по размерам вполне можетподойти на роль антенны, через которую будет проходить обмен сигналами с другими блоками устройства. Необходимость эффективно передавать сигнал по нужным направлениям и избежать нежелательных утечек по остальным приводит к тому, что внутренности такого устройства выглядят не как у обычной рации, но подобны прецизионной канализационной системе.

 

Где не обойтись без СВЧ-ИС

 

Сокращение числа отдельных компонентов позволяет уменьшить потребность в дорогостоящих и занимающих много места соединительных конструкциях, что особенно важно при создании компактных и недорогих коммуникационных СВЧ-систем. СВЧ-ИС здесь совершенно необходимы.

 

Производство СВЧ-ИС  -  непростое искусство. Обычные полупроводниковые материалы, такие, как кремний, на частотах свыше 3 ГГц начинают терять свои полезные свойства. Это заставляет производителей СВЧ-ИС обращаться к более дорогим веществам, обработка которых требует более сложных технологий.

 

Особенно сложны в производстве передатчики большой мощности: устройство должно быть компактным в масштабе рабочей длины волны и генерировать когерентный сигнал без “размазывания” по спектру. Но слишком много мощности в слишком малом объеме  -  это для радиопередатчика так же плохо, как и для микропроцессора.

 

Кстати, такие производители микропроцессоров, как корпорация Intel и фирма Motorola, вполне серьезно поговаривают о планах поднять в ближайшие 20 лет тактовые частоты до сотен мегагерц и даже десятков гигагерц.

 

Это значит, что в скором времени у производителей коммуникационного и вычислительного оборудования могут обнаружиться общие проблемы.

 

Питер Коффи (PC Week Labs)

Версия для печати