I sistemi microelettronici si stanno connotando sempre più relativamente alla funzionalità in radiofrequenza sia perché la connettività wireless è ormai quasi uno standard funzionale dei sistemi, sia perché lo spiccato trend alla riduzione dimensionale dei sistemi microelettronici impone sistemi di connettività sempre meno invasivi. Inoltre la progressione dei sistemi di comunicazione wireless verso il 5G sono un’ulteriore motivo di spinta all’innovazione in ambito dei circuiti integrati Rf.Fino a qualche anno fa lo sviluppo della microelettronica in ambito Rf e microonde non ha seguito la legge di Moore come è invece accaduto per il resto della microelettronica, soprattutto quella computazionale. Così, non si sono visti sul mercato circuiti integrati per applicazioni Rf e microonde particolarmente innovativi, come invece è accaduto recentemente sia a livello di circuiti integrati sia a livello di integrazione all’interno di IC complessi come per esempio i microcontrollori. Ciò è accaduto soprattutto grazie allo sviluppo della tecnologia Cmos in termini di velocità di commutazione dei transistor nell’ordine dei picosecondi (fattore questo che ha permesso da una parte l’implementazione di processori molto veloci e computazionalmente intensivi e dall’altra di realizzare funzioni di commutazione capaci di operare a frequenze estreme come quelle Rf). Sono stati realizzati in tal modo i primi transceiver subGigahertz ultra low power e di dimensioni tanto ridotte da essere integrati abbastanza facilmente in sistemi complessi come le Mcu di ultima generazione.
Microonde e radiofrequenza
Premesso che Rf & Microonde sono entrambe tecnologie relative a segnali caratterizzati da frequenze incluse nello spettro elettromagnetico, le microonde si distinguono dalle Rf (Radio Frequency) per il range frequenziale che coprono (da 1 GigaHertz a 1 TeraHertz) e la lunghezza d’onda (da 30 cm a 0,3 mm). Le microonde, a dispetto del nome non hanno lunghezza d’onda di dimensione micrometrica, ma millimetrica. Questa distinzione in range frequenziale e di lunghezza d’onda porta alla distinzione dei campi applicativi che per le microonde sono il radar, i satelliti e le comunicazioni spaziali, mentre per la radiofrequenza sono la comunicazione mobile, le trasmissioni radio (Am/Fm) e le trasmissioni televisive. Malgrado in ambito ingegneristico i due termini Rf e microonde vengano utilizzati senza particolare attenzione a differenziarli, è comunque ben nota la distinzione relativamente alle peculiarità dell’una verso l’altra. In particolare le microonde si caratterizzano per:
- Elevato guadagno dell’antenna e della direzionalità
- Banda larga
- Propagazione diretta
- Elevata immunità al rumore
- Minore attenuazione e bassa distorsione
Rf & microonde si avvalgono delle più svariate tecnologie per la realizzazione dei circuiti integrati allo scopo di ottenere le migliori prestazioni (Cmos, SiGe, BiCmos, SOI, GaAs e GaN) e implementano dispositivi in radiofrequenza integrati come: attenuatori; analog front end per la comunicazione; sintesi digitale diretta; frequency dividers, multiplexer e detector; transceiver; modulatori e demodulatori I/Q; mixer; phase shifter; phase locked loop; quadrature Digital Up Converter; amplificatori; power detector; switch; clock; filtri programmabili; amplificatori a guadagno variabile; voltage controlled oscillator.
Elevate prestazioni e innovazione
Il campo applicativo della tecnologia Rf e delle microonde è in continua evoluzione sia in termini di tecnologie microelettroniche che di tecnologie di sistema che portano a soluzioni abilitanti di nuove tendenze applicative. Un esempio di elevatissime prestazioni è il sintetizzatore Pll a 13 GHz ADF4159 di Analog Devices, un dispositivo altamente innovativo che consente la rivelazione della fase a frequenze elevate (110 MHz) con un consumo bassissimo di potenza (100 mW), fino a 5 volte meno delle precedenti soluzioni. Inoltre con una precisione a 25 bit implementa on-chip la generazione di profili a rampa a elevatissima linearità consentendo di implementare in maniera ottimale la modalità Radar Fmcw (Frequency modulated continuous wave) particolarmente efficace in ambito automotive per la navigazione assistita, nei sistemi Point-to-Point a microonde, nelle comunicazioni e nei sistemi di test e misura. Un altro esempio di prestazioni elevatissime sono l’AD9914 e l’AD9915 DDS, sempre di Analog Devices, due circuiti integrati ultraveloci a 12 bit per la sintesi digitale diretta per applicazioni wireless di natura frequency-agile. In particolare AD9914 è capace di un campionamento di ben 3.5 gigacampioni al secondo ed entrambi i chip supportano la tecnologia della programmazione digitale per la sintesi agile di frequenze sinusoidali fino a 1,4 GHz.
5G, l’evoluzione che diventa rivoluzione sta arrivando
La rivoluzione tecnologica ormai nota come 5G è alle porte e sarà destinata a caratterizzare lo sviluppo della prossima generazione di sistemi di comunicazione wireless che consentirà ai sistemi di comunicazione cellulare di espandersi in modalità d’uso e in mercati verticali inimmaginabili, caratterizzati soprattutto dall’ultra larga banda, per gestire l’alta definizione nello streaming video e per gestire il modello di automazione Industry 4.0. e il sistema di gestione della guida autonoma. Inoltre, la prospettiva di avere connessi alla rete Internet nel modello IoT miliardi di sensori in modalità always on, la tecnologia 5G, evoluzione dirompente delle precedenti 3G e 4G, estenderà la banda operativa nel range 3-6 GHz proponendo al mondo dei circuiti integrati una sfida tecnologica senza precedenti. La rivoluzione 5G, come le precedenti 4G e 3G, si propone agli sviluppatori in forma embrionale prospettando sfide enormi di natura tecnologica come il raggiungimento di bande frequenziali operative fino e oltre 86 GHz (Itu ha formulato un piano di sviluppo del 5G che prevede la sua attuazione intorno al 2020). La rivoluzione 5G coinvolgerà anche i produttori di circuiti integrati Rf & microonde a cui spetta il compito di rendere la tecnologia 5G effettivamente implementabile.
