THz speed

Fujitsu porterà sui cellulari il download a 20 Gb al secondo

La spinta delle aziende tech per portare l’altissima definizione nelle nostre case e nei nostri uffici è appena cominciata. I produttori di televisori stanno spingendo la risoluzione 4K per sostituire i nostri schermi 1080p attuali; iMac di Apple vanta sui propri monitor Retina una risoluzione di 5K; NHK, l’emittente nazionale del Giappone, sta testando apparecchiature di telediffusione a risoluzione 8K, con obiettivo il 2020 e le Olimpiadi di Tokyo per la loro introduzione su larga scala.

Per permettere ai dispositivi wireless di gestire le velocità più elevate richieste da tali applicazioni, Fujitsu ha sviluppato un prototipo di ricevitore a 300 GHz, abbastanza compatto da poter essere integrato in un cellulare. Anche se il ricevitore è limitato da un range di circa 1 metro, a detta dell’azienda il dispositivo potrà scaricare video a 4k e a 8k quasi istantaneamente.

I telefoni cellulari attuali operano in un intervallo di frequenza compreso tra 0.8 e 2.5 GHz e sono in grado di raggiungere velocità di download di circa 230 megabit al secondo, mentre la velocità massima in Wi-Fi standard 802.11n, nella stessa gamma di frequenza, può raggiungere i 600 Mb/s. Fujitsu ha costruito il suo nuovo ricevitore per operare a frequenze nella banda dei Terahertz – oltre 300 GHz – dove i terminali possono teoricamente comunicare ad una velocità centinaia di volte più elevata rispetto ai telefoni cellulari di oggi.

La banda dei Terahertz non è di per sé una novità assoluta. Già in passato sono stati sviluppati dispositivi che operano a tali velocità. Il problema è che le onde nella banda dei Terahertz si attenuano rapidamente, e dunque i chip ricevitore e amplificatore devono essere abbastanza sensibili da poter trattare questi deboli segnali. Gli attuali progetti si basano su un’antenna separata, che a sua volta richiede una guida d’onda per trasportare il segnale dall’antenna al chip. Questo rende la combinazione complessivamente troppo ingombrante per l’uso su cellulare.

L’obiettivo, quindi, è sempre stato quello di creare un modulo ricevitore/amplificatore con antenna integrata per aumentarne così la miniaturizzazione. Ciò è già stato ottenuto, ad esempio, per i dispositivi impiegati a lunghezze d’onda millimetriche che operano a frequenze da 60 a 80 GHz, utilizzati in applicazioni come i radar anti-collisione. Questi moduli collegano l’antenna al chip ricevitore / amplificatore attraverso un substrato di circuito stampato interno rendendo così superflua una guida d’onda.

Schema ricevitore Fujitsu THz
Credits: Fujitsu

I tipici materiali usati nei substrati dei circuiti stampati utilizzati in questa gamma di frequenze sono la ceramica, il quarzo e il Teflon – come spiega Yasuhiro Nakasha, direttore della ricerca presso il laboratorio Devices & Materials di Fujitsu – ma quando questi sono utilizzati nelle comunicazioni in banda Terahertz, si verifica una significativa attenuazione del segnale e una perdita di sensibilità di ricezione.

Per rimediare a questo problema, Fujitsu ha fabbricato un substrato di circuito stampato utilizzando come materiale la poliimmide ( PI, un polimero sintetico resistente al calore). I segnali dall’antenna vengono trasmessi al ricevitore/amplificatore attraverso un circuito di collegamento realizzato direttamente sul substrato.

Ricevitore miniaturizzato THz Fujitsu
Credits: Fujitsu

Al fine di garantire una trasmissione del segnale stabile e con bassa perdita, le facce superiore e inferiore del substrato del circuito stampato sono a terra e collegate attraverso vias a foro passante metallizzato. Questo e il circuito di collegamento complessivamente realizzano una struttura a guida d’onda complanare in grado di migliorare la propagazione del segnale ad alta frequenza. Per ridurre le interferenze al segnale dal substrato del circuito stampato, le vias metallizzate devono essere distanziate a meno di un decimo della lunghezza d’onda del segnale – in questo caso quindi a meno di poche decine di micrometri.

Tipologie di vias
I diversi tipi di vias: (1) Through hole (2) Blind via (3) Buried via. I layer grigi e quelli verdi sono non conduttori, i layer più sottili arancione ed i vias sono conduttori.
Via Types by M adlerOwn work. Licensed under CC BY 3.0 via Commons

Anche se la poliimmide registra una perdita di segnale del dieci per cento maggiore rispetto al quarzo, Fujitsu sostiene che la precisione di lavorazione su questo materiale è più di quattro volte superiore rispetto al quarzo. Questo rende possibile ottenere connessioni molto più vicine e quindi dimezzare la perdita totale del segnale rispetto all’utilizzo di un substrato di quarzo.

Per facilitare una forte connessione tra l’insieme costituito dal circuito di collegamento e antenna, presenti sul substrato del circuito stampato, e il chip ricevitore/amplificatore, Fujitsu ha adattato una tecnologia di montaggio milletrica in grado di gestire la trasmissione a frequenze THz. Questo metodo di montaggio permette che la circuiteria del ricevitore/amplificatore venga ad affacciarsi direttamente al substrato del circuito stampato.

Il risultato è un modulo con un volume complessivo di soli 0,75 centimetri cubi – esclusi i terminali di output – dunque abbastanza piccolo da essere incorporato in un telefono cellulare. I prototipi finora ottenuti in laboratorio hanno raggiunto i 20 Gb/s di velocità di download.

Riceviore Fujitsu THz | Italiandirectory
Credits: Fujitsu

Fujitsu inizierà i primi collaudi sul campo entro la fine di marzo 2016 e pensa di poter lanciare la tecnologia nel 2020. Le applicazioni che gli ingegneri prevedono sono tutte quelle che possono giovarsi di un tempo istantaneo di download per grandi volumi di dati da server e altri terminali, quali le versioni elettroniche di guide, cataloghi e brochure utilizzate in occasione di eventi fieristici ed il download di video ad altissima risoluzione (Ultra HD) da chioschi predisposti.

Nakasha non fa previsioni sul futuro della ricerca dopo il 2020, ma rietiene che la tecnologia abbia il potenziale di raggiungere un giorno velocità di 100 Gb/s.

Parte del finanziamento della ricerca è stato ottenuto da un progetto R&D sull’espansione delle risorse dello spettro radio commissionate dal Ministero degli affari interni e delle Comunicazioni del Giappone.