Seine 235-GHz-Antennen und die aktiven Kernkomponenten sind auf einem einzigen IC integriert, und auf einem Desktop misst es die Entfernung zu einem Ziel mit einer Genauigkeit von weniger als einem Millimeter, selbst wenn sich das Objekt mit 600 m/s bewegt – der doppelten Schallgeschwindigkeit.
Diese Kernkomponenten implementieren einen Oszillator mit Selbstinjektionsverriegelung, der den manchmal unerwünschten Effekt des „Ziehens“ des Oszillators ausnutzt, bei dem eine Variation der Last eines Oszillators seine Frequenz ändert.
Der Oszillator ist in diesem Fall ein differenzieller Colpitts-Oszillator der zweiten Harmonischen ('3' im Diagramm) und ist an eine Schlitzantenne ('1' im Diagramm) angeschlossen.
Seine Leistung wird übertragen, vom Objekt reflektiert und in dieselbe Antenne zurückgeleitet, um wieder in den Oszillator zu gelangen.
Über einen bestimmten Bereich reflektierter Amplituden zieht diese Reflexion die Frequenz des Oszillators und schwingt sie je nach Phase der Rückkehr zwischen 234.9 und 235.1 GHz.
Die Frequenz variiert stetig mit der Phase, bis die Frequenz bei jeder vollen Umdrehung des Phasenkreises plötzlich zurückspringt: von 235.1 auf 234.9 GHz oder umgekehrt, je nachdem, in welche Richtung sich das Ziel bewegt hat.
Diese Schnappschüsse treten alle 638 μm (λ/2) der Zielverschiebung auf – und eine recht einfache Signalverarbeitung erzeugt aus diesem Schnappschuss einen Spannungsimpuls, dessen Polarität von der Bewegungsrichtung des Ziels abhängt.
Durch einfaches Addieren oder Subtrahieren eines Zählers je nach Impulspolarität bleibt die Zielentfernung erhalten.
Physikalisch gesehen ist der Chip mit der flachen Seite einer hyperhalbkugelförmigen Siliziumlinse als primäre Fokussierungsoptik verbunden. Anschließend erzeugt eine sekundäre PTFE-Linse den vom Radar benötigten parallelen Strahlungsstrahl. Der Rückweg ist eine Rückfahrt durch dieselbe Optik.
Die zweite Antenne auf dem Chip („2“, ein gefalteter Dipol) ist die Empfangsantenne für ein FMCW-Radar, das auf demselben Chip aufgebaut ist.
Sein Sender verwendet die gleiche Hardware und Antenne wie das selbstinjektionsverriegelnde Oszillatorradar, neu konfiguriert, um einen Frequenz-Chirp zu erzeugen – seine Bandbreite beträgt 230 bis 246 GHz.
Der IC hat eine Fläche von 0.42 mm2 und verbraucht 186 mW. Es wurde von STMicroelectronics in 55-nm-BiCMOS hergestellt – und die Universität arbeitete auch mit King Abdulaziz City für Wissenschaft und Forschung zusammen Technologie (KACST) zu diesem Projekt.
ISSCC 2024 Papier 24.4: Sub-THz-Lineal: Spektrale Bistabilität in einem selbstinjektionsverriegelten 235-GHz-Oszillator für agile und eindeutige Entfernungsmessung
Bildquelle: ISSCC 2024, University of Michigan, King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST), STMicroelectronics. Die anderen Objekte auf dem Chip sind: ein subharmonischer Mischer (4) und ein rauscharmer ZF-Verstärker (5).