Integrerad mikrovågsförstärkare ger extremt lågt brus
Forskare vid Chalmers har demonstrerat en integrerad förstärkare med det lägsta bruset hittills. Förstärkaren erbjuder nya möjligheter att detektera den svagaste elektromagnetiska strålningen, till exempel avlägsna signaler från fjärran galaxer.
En grundläggande egenskap hos en förstärkare i en radiomottagare är dess brusfaktor. Denna anges i decibel (dB). En typisk brusfaktor hos förstärkare i mobiltelefonisystem är några tiondels dB.
Förra året rapporterade Chalmers ett världsrekord för en lågbrusig förstärkare i den ansedda tidskriften Electron Device Letters.
Förstärkaren uppvisade en brusfaktor på 0.018 dB och hade en bandbredd på 4-8 GHz. Förstärkaren var konstruerad i en hybridlösning, vilket begränsade dess användning i större kvantiteter.
Chalmers har nu i samarbete med företaget Low-Noise Factory publicerat en integrerad extremt lågbrusig förstärkare. Forskarna har utvecklat en unik halvledarprocess för så kallade hemt-transistorer (high electron mobility transistors; transistorer med hög elektronhastighet) i materialet indiumfosfid. Transistorer och andra halvledarelement har tillverkats monolitiskt på ett chip på en indiumfosfidbricka. Samtliga delar i material, komponent, process och förstärkardesign har optimerats för lägsta möjliga brus.
Detta har möjliggjort en fullt integrerad förstärkare med en extremt liten brusfaktor på 0.045 dB. Förstärkaren är mycket bredbandig, 0.5-13 GHz, och uppvisar en hög förstärkning på 38 dB över frekvensbandet. För att nå dessa extrema prestanda kyls förstärkaren till minus 260 grader Celsius.
– Kombinationen av hög förstärkning, stor bandbredd och extremt låg brusfaktor gör denna krets särskilt attraktiv för stora multipixelsystem med tusentals antennelement, säger Jan Grahn, som leder forskargruppen på Chalmers. Tack vare den nya integrerade processen kan förstärkaren tillverkas i tusentals exemplar med hög repeterbarhet.
– Ett möjligt exempel på framtida tillämpning är det planerade radioteleskopet SKA (Square Kilometer Array) som Onsala rymdobservatorium vid Chalmers är med och utvecklar i ett internationellt projekt. För tillämpningar som SKA innebär även en liten minskning i brusfaktor på ingångsförstärkaren stora potentiella vinster i systemdesign.
Fakta om forskningen
Arbetet har utförts i samverkan mellan Chalmers och företag i Gigahertz Centrum, ett centrum där Chalmers, ett institut och tolv företag bedriver forskning och innovation för stärkt svensk konkurrenskraft inom mikrovågsteknik för kommunikations- och sensorsystem. Gigahertz Centrum ingår i Vinnovas Vinn Excellence program 2007-2016.
