GHz Centrum och ChaseOn är två kompetenscentra som Vinnova beviljar finansiering till under kommande fem år. Med anledning av förlängningen av dessa centra – de två högst rankade i Vinnovas VINN Excellence-program 2007 – 2016 – arrangerade Chalmers en konferensdag som gav rader av exempel på lyckade erfarenheter från GHz Centrum och ChaseON.

Jan Grahn, professor vid Mikroteknologi och Nanovetenskap, Chalmers och Rick Jos, Ampleeon

– Det hela började egentligen 1995. Dåvarande Nutek satsade pengar på att skapa ett antal kompetenscentra, inspirerat av ”US NSF Engineering Research Centers”, berättar Jan Grahn, professor vid Mikroteknologi och Nanovetenskap, Chalmers.

1995 bildades kompetenscentrumet CHACH, Chalmers Centre for High Speed Technology och varade till 2006. Jan Grahn blev ansvarig för CHACH år 2001.

Inom detta CHACH startade 2007 Chalmers upp två kompetenscentra inom Vinnovas VINN Excellence-program upp: Chase(Chalmers Antenna Systems VINN Excellence Centre) och GigaHertz Centrum.

Fyra forskningsprojekt inom GigaHertz
GHz-programmet 2007-2016 omfattade fyra forskningsprojekt:
* MIMO-sändare med hög verkningsgrad för 5G.
* Karakterisering och modellering av GaN HEMT.
* GaN HEMT-oscillatorer med lågt fasbrus.
* III-V-komponenter och kretsar för mycket lågt brus och hög effekt i THz-området.

Programmet resulterade i mängder av ”spin-off” inom mobiltelefoni, mikrovågslänkar, satellitkommunikation, försvarsradar och elektroniska motmedel samt vetenskapliga instrument för rymdfysik. Jan Grahn ger exempel som radioslutsteg med nya Chalmersutvecklade komponenter, Iltcho Angelovs komponentmodeller för simulering, som har fått internationell spridning och bl a tillämpas av Keysight, GaN-transistorer med Saab som första användare, IGBT utan ”lach-up” (Comheat Microwave), extremt lågbrusiga förstärkare för rymdbruk (Low Noise Factory).

Under åren 2007-2016 engagerade GHz-programmet 77 Chalmersforskare. Industripartners var Classic WBG Semiconductor AB, Comheat Microwave AB, Ericsson AB, Gotmic AB, Infineon Technologies Austria AG, Low Noise Factory AB, Mitsubishi Electric Corporation, NXP Semiconductors AB, Ruag Space AB, Saab AB, SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, United Monolitic Semiconductors och Wasa Millimeter Wave AB.

Chase med industrifokus
VINN Excellence Chase startade 2007 och skulle planenligt avslutas 2017. Men tack vare beviljade medel fortsätter projektet, med fem års finansiering, nu under namnet ChaseOn.

Chalmers antenna systems VINN Excellence Chase inriktades mot industrins behov av tillämpningar inom trådlös kommunikation, sensorsystem och medicinska tillämpningar inom mikrovåg.

Staffan Sjödin, Chalmers Industriteknik, har de senaste åren lett Chase som involverar två universitet (Chalmers och KTH), två forskningsinstitut och 28 företag. Totalt har 256 personer varit engagerade i Chase, varav 226 forskare.

– Projektet har resulterat i 683 akademiska uppsatser, 80 tidningsartiklar, 122 doktorsavhandlingar, 31 licentiater och 22 doktorer, berättar Staffan Sjödin.

I efterföljaren ChaseOn ingår Chalmers, SP, KTH, VGR och 12 företag.

Nya inriktningar
I fortsättningen av GHz Centre deltar Chalmers, SP och 11 företag. Inriktningen blir:

* Linjära förstärkare, med delområdena filtrering (rumslig, tids- och frekvensmässig), sändare med hög verkningsgrad, samkonstruktion mellan kretsar och matriser, självlinjärisering samt integration av Si och GaN och integrerade THz-system med mottagare för kortare våglängder än millimetervåg, kretsteknologier och metrologi.

Ytterligare ett område är termiska effekter där man skall gå in på termisk systemsimulering, kapsling, elektro-termisk modellering samt tillförlitlighet.

Visserligen har GigaHertz och ChaseOn olika inriktningar, men det finns många övergripande tekniska frågor att lösa. Var går exempelvis gränssnittet för antenner som är sammanbyggda med sändare/mottagare? Med tanke på denna odefinierade gräns kommer man att bilda ett konsortium med en gemensam styrelse för båda centra.

– Detta skapar en större kompetensmassa med synergieffekter. Med 23 partners ges möjlighet till att samverka, till potentiella projekt och konstellationer, sammanfattar professor Erik Ström, Signaler och System, Chalmers, som leder ChaseOn. Parterna får då tillgång till flera resultat.

Konferensdagen hos Chalmers gav en rad exempel på vad man hittills uppnått för resultat inom perioden 1995 till 2016. Här följer några av forskningsresultaten:

Leve Doherty!
Sedan digitala modulationsformer började införas på 90-talet, och med tiden blivit alltmer komplexa, har kraven på linjäritet successivt ökat. Samtidigt ställer telekomföretagens kunder allt större krav på ökad verkningsgrad för att hålla driftskostnaderna av mobilnät nere.

Att tillverka slutsteg med god linjäritet, samtidigt hög verkningsgrad och dessutom hög bandbredd, har blivit något av ett Columbi ägg att lösa! Mängder av olika förslag har granskats av forskare, däribland en rad olika switchade slutsteg (i klass D, E, F, J), lastmodulerade slutsteg, utfasning, ”carrier bursting” och EER/supply modulation.

Rick Jos, nu Ampleeon, tidigare NXP, gav några personliga reflektioner på sitt deltagande som adjungerad professor på Chalmers med inriktning på RF-effekttransistorer: Forskare och industrin har provat säkert ett 20-tal olika konstellationer. Det har nu entydigt utmynnat i valet av Dohertyprincipen:

– Nu gäller Doherty, och troligen för all framtid, är hans slutsats. Med tiden har Doherty-slutsteg förbättrats avsevärt. Principen är viktig för 5G-applikationer.

Doherty ger ökad verkningsgrad där behovet är störst

Ny utformning av utgångsnätet har resulterat i stora förbättringar

Rick Jos trycker på att ”pre-competitive” forskning är nyckeln till framgång, alltså i projekt som GHz och Chase.

– Då kan konkurrenter samarbeta snabbare och publicera resultaten.

GaN driver PA-utvecklingen
Christian Fager berättar att man nu lägger mycket energi på att skapa GaN-komponenter för att användas i främst system för ”massive MIMO”.

– Forskningen syftar ytterst till att skapa system med mindre vikt, högre tillförlitlighet, längre livstid och bättre miljö.

I en utveckling mot bättre slutsteg tar Christian Fager upp några faktorer:
Bättre transistorer: Transistorer i galliumnitrid, GaN, är en viktig komponent. GaN kan ge högre gränsfrekvenser än Si och tål höga temperaturer. Forskningen omfattar bl a karakterisering, modellering och processoptimering.
Tänj på gränserna: För att få högre verkningsgrad hos slutsteget gäller det att förstå vari begränsningarna ligger. Med dessa kända går det att ”tänja på gränserna” för att ”vässa” slutsteget.
Avancerad signalkonstruktion: Det gäller att ta hänsyn till analoga begränsningar, något som kan genomföras i en samkonstruktion mellan kretsar och system. I arbetet granskas också nya arkitekturer och dess begränsningar.

Även Christian Fager utropade Doherty som vinnare i kampen om den bästa arkitekturen.

– Det är nya teorier om Doherty-principens innebörd och ny förståelse för den som har lett fram till slutsatsen, liksom möjligheten till överföring av konstruktionsblock (IP).

I en prototyp med GaN kunde man verifiera ökad verkningsgrad. En demo där slutsteget modulerades med en bredbandig signal (fem bärvågor) ledde fram till ”spin off” från forskningen.

Revolutionerande trådlösa system: Massive MIMO kommer att ge riktade signaler och öka kapaciteten med en faktor 10 – 100 i kapacitet.

Christian Fagers slutsats är att det finns en stor potential till att skapa energieffektivitet i framtida system. Utmaningarna ligger i allt från transistor- till systemkonstruktion.

– För att klara det krävs mycket mer samarbete i framtiden. GigaHertz Center och ChaseOn ger möjligheter att gå från teori till praktik.

Testmetod för framtiden
– Chase var mycket viktigt för oss, säger Mats Andersson, Bluetest AB. Bluetest växte fram på basis av Chalmersprofessorn Simon Kildals antennforskning. Hans idé var att mäta utstrålad effekt, från exempelvis en mobiltelefon, i en modväxlande kammare. Därmed kunde man mäta i en miljö som nära anknyter sig till verklighetens blandning av direkta och reflekterade signalvägar.

– Tekniken var övertygande. Vi är det enda företag som har en mätlösning för att kunna mäta utstrålad effekt av enheter för MIMO och ”carrier aggregation”.  Min uppgift, vid mitt tillträde som vd 2006, blev att marknadsföra våra mätsystem.

Utvecklingen talar sitt tydliga språk: 2006 omsatte Bluetest AB 2 miljoner kronor. Idag är omsättningen 70 miljoner kronor.

– De potentiella kunderna till ny teknik är ofta väldigt skeptiska i början. Chase blev viktigt för att få in några nyckelkunder.

I Japan finns nu 10 kunder och Asien har även den största potentialen: Kina har över 100 mobiltelefontillverkare.

I framtiden hägrar en stor marknad för Bluetest: IoT. Och här rör det sig inte nödvändigtvis om små enheter. En kinesisk tillverkare har anskaffat Bluetests stora mätkammare RTS95 för att kunna mäta på sin uppkopplingsbara tvättmaskin!

GaN för radarsensorer
Under andra världskriget började man utveckla radar i Sverige, först i Stockholm, men ganska snart lade Ericsson sin verksamhet i Göteborg och mikrovågsverksamheten på Chalmers påbörjades.

I regionen finns nu Saab, Ericsson, Ruag, Emerson, SP med flera.

Tillsammans bildar de en kritisk massa för innovationer, säger Fredrik Wising, Saab.

Idag utgörs 28 procent av Saabs verksamhet av radarsensorer och elektroniska motmedel.

Saab utvecklade redan på 90-talet radar med fasstyrda antenner. Dessa hade då 20 sändar/mottagarmoduler. Idag gör man system med 2000 – 4000 moduler. Dessa är högintegrerade och sändarslutsteget i dem bygger på GaN-transistorer.

De första GaN-transistorerna utvecklades 2001 på Chalmers och 2014 kunde Saab annonsera produkter, bestyckade med GaN.

2014 innehöll utrustning för elektroniska motmedel GaN-transistorer som kunde klassas som ”state-of-the-art”. Året efter hade Saab framme mycket kraftiga GaN-transistorer för att användas i radarsystem för ”early warning”.

Utveckling tar tid!
Professor Herbert Zirath delade med sig av sina 36 års erfarenhet vid Chalmers och tog upp den viktiga tidsaspekten: Utvecklingen från det grundläggande forskningsstadiet till färdiga produkter tar som regel mycket lång tid. Han beskriver förloppet i en 9-gradig TRL-skala. TRL står i det här fallet för ”Technology Readiness Levels”.

TRL karakteriserar i nio nivåer hur färdig en teknik är.

Herbert Zirath gav några exempel hur många år olika utvecklingar har tagit i anspråk, och vilken TRL-nivå man har uppnått:
Teknik              Tidsspann             År  TRL
InP HEMT       1989 till idag       26     9
SiC, SBD
MOSFET           1995 – 2007        12     4
GaN HEMT      2000 till idag     16      7
Högeff PA        1998 till idag       18     8
MMIC design  1998 till idag       18     9
G-FET MMIC  2010 till idag         6     6

Två av projekten har resulterat i ”spin off”-företag med åtta till 10 medarbetare, inom områdena InP HEMT och MMIC-konstruktion.

– Det är intressant att notera hur lång tid utveckling verkligen tar. Ibland kan ett nytt fenomen upptäckas vilket gör att man kanske återgår från RTL-nivå 7 till 3. Det kan innebära en fördröjning på fem till 10 år!

Ett sådant språng tillbaka kan exempelvis ske då man upptäcker oförutsedda orenheter i en halvledare. Det kan röra sig om orenheter i halvledarkristallen, i gate-isolationen eller i passiva lager. Följden kan bli minskad verkningsgrad i en effektförstärkare, ökat 1/f-brus vilket kan ge ökat fasbrus i en oscillator, minneseffekter i förstärkare, temporär okänslighet i LNAer för pulsade signaler, hysteres i Id-Vd-karakteristiken och förhöjt lågfrekvensbrus.

Effektivare cancerbehandling
Ett viktigt tillämpningsområde för mikrovåg är medicin.
Andreas Fhager, Chalmers avdelningen för signaler och system, refererade i sin presentation till kliniska studier. De visar att man vid livmoderhalscancer kan bota cirka 25 procent av fallen vid traditionell behandling med kemoterapi och strålbehandling.
Om man kombinerar denna behandling mer hypertermi kan man ökad detta till 50 procent.
Mikrovågsbaserad hypertermi, är en teknik som går ut på att stråla in mikrovågsenergi mot kroppen så att den konstruktivt interfererar i tumören som därmed värms upp. Uppvärmningen sker inom en given volym som definieras genom en tidigare skapad datormodell. Eftersom uppvärmningen bara sker till en temperatur som ligger över febertemperatur leder behandlingen inte till den skadegörelse av friska celler, som i fallet med joniserad strålning.
Hypertermi kan inte avslöja cancer, utan det är en teknik för att behandla cancertumörer som redan har upptäckts.
Chase arbetar även med en teknik för att lokalisera tumörer: mikrovågstomografi. Det är en diagnostisk metod som kan skapa bilder av de dielektriska egenskaperna inuti exempelvis ett kvinnobröst. I dessa bilder kan tumörer identifieras.

Väg mot bredbandig radio
Bo Berglund, senior expert RF technology vid Ericsson AB, beskrev en liknande uppdelning av olika nivåer, från de första idéerna till kommersiella produkter. Successivt har man lyckats höja verkningsgraden i radioslutsteg för basstationer, trots krav på större bandbredd och ökade linjäritetskrav.

– Vi har undersökt 20 – 30 olika typer av slutsteg men koncentrerar oss nu på Doherty-principen.  Vi hade inte kapacitet att själva skärskåda alla alternativ utan vi kunnat dra nytta av resultat från forskarvärlden. Mycket har kommit ut ur samarbetet med Chalmers.

– År 2006 kunde vi med en tidig fas av Doherty-slutsteg få ut 20 procents verkningsgrad. Med asymmetrisk Doherty kunde vi år 2010 höja verkningsgraden till 30 procent och idag höjer vi till 40 procent där vi förutom Si LDMOS använder GaN. Forskningen sedan 2006 har betalat sig, konstaterar Bo Berglund.

För framtida radiobassystem för 5G arbetar Ericsson med aktiva antennsystem, dels för frekvensband under 6 GHz, dels för frekvensområdet 24 – 40 GHz. Antennmatriser för MIMO/lobformning.

– Generellt sett belastas mycket litet av mobilsystemens kapacitet, men de måste dimensioneras för att klara toppbelastning. Vad vi behöver är flexibilitet för att kunna stänga av det som för tillfället inte används.

Fyra viktiga områden i Ericssons utveckling av 5G är: MIMO/lobformning, antennmatriser, GaN för mikrovåg och CMOS-radiokretsar.

Gömda antenner
ChaseOn-ansvarige Erik Ström visade upp en bild av en prototyp till en modern Volvo.

– Ser ni några antenner, frågade han retoriskt och gav själv svaret: Bilen på bilden innehåller 40 antenner!

Antennerna är en integrerad del av bilkonstruktionen. Behovet av så många antenner drivs framför allt av säkerhetstänkande. Det handlar om att skapa intelligenta transportsystem, med kommunikation mellan bilar, övervakning runt bilen och på sikt en utveckling mot självgående bilar.

Två standarder utkristalliseras i detta arbete: 5G och 802.11p. Båda kommer att tillämpas men 5G är lämpligt för litet svårare uppgifter. Men i arbetet inom ChaseOn sker nu en förskjutning från 802.11p till 5G. Förutom antennkonstruktion och testmetoder utarbetas metoder för signalbehandling med sikte på ultratillförlitliga 5G-tjänster för att stödja samverkande intelligenta transportsystem (C-ITS, cooperative intelligen transport systems).

Extremt lågbrusiga
Low Noise Factory är ett ”spin off”-företag från forskningen vid Chalmers. Inriktningen är, som namnet anger, lågbrusiga förstärkare (LNA, low noise amplifier). Det handlar om extremt låga brusnivåer i kryogena (kylda) ingångssteg för mottagare för radioastronomi. Företagets mest lågbrusiga steg har en brusfaktor på 0,01 dB. Joel Schleeh, Low Noise Factory, talar även om ett annat användningsområde för extremt lågbrusiga steg, nämligen i kvantdatorer. Sådana bygger exempelvis NASA och Google.

För två år sedan utvecklade Low Noise Factory en LNA med 4 k brustemperatur, vilket motsvarar 8 fotoner.

– Idag är vi nere i 5 fotoner vid 150 GHz. Detta hade inte varit möjligt utan GHz Centrum, säger Joel Schleeh.

Low Noise Factory omsätter idag 21,2 MSEK och har åtta anställda.

Vad kommer 5G att ge?
Om hur 5G kommer att påverka industrier och samhället i stort, talade Björn Johannison, Ericsson.

– Vi kommer att se en mycket stor omvandling inom industrin, där inte bara folk utan apparater kommunicerar.

Omvandlingen kommer att leda till smarta städer och stora förändringar inom jordbruk, processindustrin och reservdelshantering.

Han sammanfattade Ericssons kravbild för 5G som:
* Mycket hög trafikkapacitet
* Höga datahastigheter överallt
* Mycket låg fördröjning
* Ultrahög tillförlitlighet och tillgänglighet
* Mycket stora antal saker som skall kommunicera
* Mycket låga kostnader för dessa
* Mycket låg energiförbrukning hos dessa
* Mycket goda energiprestanda för nätet

– Ett kritiskt område är antennteknik där ChaseOn spelar en viktig roll, säger Björn Johannison.

System för THz
Chalmers har länge forskat i THz-området för att möjliggöra sin rymdforskning. Ett av de tidiga avknoppningsföretagen är Omnisys Instruments, som idag har en besättning på 40 man. Det startades redan 1992 och har levererat utrustning för ESA, JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), ODIN, Smiles, Smart 1 och Prism.

Enheterna för dessa projekt är byggda i Chalmers renrum på Mikroteknologi och Nanovetenskap.

– Våra tekniker arbetar upp till RTL-nivåerna 5 eller 6. Vi vill ha den absolut senaste tekniken i de enstaka ”prylar” som skickas upp i rymden, säger Martin Koes.

– Det kommande programmet för GHz centrum 2017 – 2021 kommer att bli en perfekt arena för att bedriva och ytterligare stärka samarbetet mellan Chalmers och Omnisys inom THz-teknologi, säger Martin Kores, Omnisys Instruments.

I det arbetet handlar det om att upprätthålla och stärka den högprofilerade halvledartillverkning och framstående forskning som finns inom MC2. Det gäller också att skapa tillförlitliga och förutsägbara processer och att utnyttja senaste teknologier integration och kapsling.

Gap Waveguide
Ett mycket intressant, nytt byggsätt för överföring av radiosignaler är gap waveguide. Det är en teknik som introducerades av professor Simon Kildal.  Han startade avknoppningsföretaget Gapwaves AB 2011.

Ashraf Uz Zaman, Chalmers Tekniska Högskola, beskriv redan på höstens konferens Summit hur man med ny teknik skall åstadkomma antennmoduler som kan monteras med pick-and-placemaskiner och som bygger på vågledare mot bredbandiga slitsantenner enligt ett nytt koncept som går under begreppet ”gap waveguide”. På Chalmers dag för GHz/ChaseON beskrev han mer om denna intressanta teknik.

Microstripledningar lider generellt sett av höga ledningsförluster i dielektrikum och höga förluster på grund av tunna ledare.  Å andra sidan är det svårt att kombinera vågledare med IC.

– Ett problem är att tillverka vågledare för millimetervågor och en flaskhals är att montera dem vid massproduktion, säger Ashraf Uz Zaman.  Ofta behövs det mängder av skruvförbindningar.

En lovande kandidat är ”gap waveguide technology”.  Den ger lägre förluster och lägre tillverkningskostnader än microstripledningar och vågledare på höga frekvenser.

Fyra olika versioner av demonstratorer har byggts upp. Nästa steg är att integrera högfrekvenselektroniken.

Den mekaniska strukturen har tagits fram med hjälp av gjutning och CNC. De mekaniska måtten ligger inom ±6-7 µm, vilket enligt Ashraf Uz Zaman är godtagbart.

Första demonstratorn kom fram 2009. Med tekniken blir det möjligt att åstadkomma en antennmatris som på 8×8 cm² kan ge 30 dB förstärkning. För Ka-bandet har man tagit fram högförstärkande antenner, integrerade med diplexer.  Senaste resultat är en slitsantenn med 30 procents bandbredd.

MEMS-baserade antennmatriser i ”gap waveguide”-teknik, för 100 GHz och 15 GHz, visar en mycket god överensstämmelse mellan simulering och uppmätta resultat.

En antenn med hela 43 dB förstärkning har demonstrerats.

– Tyvärr är den inte särskilt billig att tillverka i sitt nuvarande utförande. Vi skall försöka tillverka den i plast (med ledande beläggning) istället.

Gapwave AB har utvecklats positivt. 2700 investerare har hittills lockats att investera. Snart introduceras Gapwave AB på Nasdaq-börsen.

Filed under: Mikrovag, Nordisk Teknik, Specialartiklar, Teknikartiklar