Oscillator i kisel för allt över 100 MHz

En slingoscillator som ger bättre prestanda än kristalloscillatorer för frekvenser över 100 MHz. Eller om man så vill en platt satellitantenn integrerad i en kiselkomponent.

Dessa två tillämpningar är olika sidor av ett så kallat fördröjningselement från Motalaföretaget Avancerade Logikmaskiner.

- Detta är framtidens frekvenskomponenter. Egenskaperna är revolutionerande för alla som sysslar med radiokommunikation, säger Roger Ahlm på Avancerade Logikmaskiner, ALM.

Det är stora ord, men vad man har gjort verkar faktiskt vid första anblicken inte särskilt komplicerat. Tillsammans med halvledartillverkaren Austria Mikro Systeme har man utvecklat en process där oxidtjockleken lokalt kan ökas radikalt, och i denna process tillverkat en synnerligen väl kontrollerad transmissionsledning på en integrerad krets. Ledningen kan göras flera decimeter lång, och tillsammans med en eller flera förstärkare bildar den ett fördröjningselement.

Denna långa transmissionsledning kan fungera som antenn, och integrerad på kisel kan den fungera som en bredbandig fasmatrisantenn, som kan ta emot signaler i frekvensområdet 10-12 GHz, exempelvis från satelliter.

Om transmissionsledningen i stället kopplas från utgången till ingången på en inverterande förstärkare så uppstår en oscillator. Redan vid 100 MHz får denna oscillator prestanda som ligger nära kristalloscillatorn.

En stor poäng är att det blir så billigt. Det kostar inte mer än någon kvadratmillimeter kiselyta, plus royaltyintäkter som Roger Ahlm lovar att hålla nere.

- Den här oscillatorn blir betydligt billigare än kristaller och spänningsstyrda oscillatorer.

Enkelt i teorin

Teorin är ganska rättfram. Oscillatorns period kan uttryckas som 2 l/vc, där vc är den elektromagnetiska utbredningshastigheten i ledaren - som i sin tur beror på ledarens dielektricitetskonstant, och l är ledarens längd. Om ledaren är tillräckligt lång blir fördröjningen i förstärkaren liten jämfört med fördröjningen i ledaren.

Med en grindfördröjning på 10 ps och en spridning på 10 procent, en 4,99 dm lång ledare och en dielektricitetskonstant på 9 - vilket ger ett vc på 100 000 km/s - får oscillatorn en period på 10,00 ns ± 0,01 procent, vilket motsvarar en frekvens på 100 MHz ± 100 ppm.

Svårigheterna ligger dels i att integrera så långa ledare på kisel, och att konstruera ledarna så att man trots längden inte begränsas av den fördröjning som utgörs av resistansen gånger kapacitansen. Det är dessa svårigheter som ALM nu säger sig ha övervunnit.

Teorin för antennen är lite mer komplicerad. I korthet går den ut på att man åstadkommer en matris av antenner spridda över en plan yta. Genom att på ett smart sätt fördröja signalerna från var och en av dessa antenner, och summera signalerna med en metod kallad konstruktiv interferens, kan man styra den riktning som man vill ta emot radiosignalen från.

Slipper gyron och motorer

Tekniken är tänkt att användas exempelvis på fartyg och flygplan. Idag sitter där ett flertal parabolmottagare som riktas med gyrobaserade motorstyrningar.

- Med den här antennen kan man spåra satellitsignalen på några millisekunder. Det behövs bara en antenn, och den behöver inte heller vara rörlig, säger Roger Ahlm.

- Omvänt kan man tänka sig att de dyra geostationära direktsändande satelliterna kan ersättas av betydligt billigare satelliter på lägre höjd, säger han.

ALM har en mängd patent på uppfinningen, men Roger Ahlm poängterar att man letar efter partner för samarbete.

Adam Edström