2019/2/14 ﾏｻﾁｭｰｾｯﾂ工科大学(MIT)
・ MIT が、オンチップのサブテラヘルツ波受信アレーを開発。
・ 電磁スペクトルでマイクロ波と赤外線の間にあるサブテラヘルツ波は、赤外線による LiDAR システムでは困難な霧や塵の中での物体検出に利用できる。
・ 高感度で正確な物体認識には受信機からプロセッサへの強力なベースバンド出力信号が必要だが、このような信号を生成する従来のシステムは大型で高価。また、現在の小型オンチップセンサーアレーでは生成する信号が弱い。
・ 新サブテラヘルツセンサーは、信号ノイズが多い中でもサブテラヘルツ波を捉えて認識する高感度を有する。チップでの高密度集積が難しい「ヘテロダイン検出器」と呼ばれる、個別の信号を混合するピクセルの大幅な小型化とチップ集積により実現した。
・ 1.2 ㎟の面積に 32 個のピクセルのアレーを集積したプロトタイプを作製。これらのピクセルは、現在最高水準のオンチップサブテラヘルツアレーセンサーのピクセルに比して約 4.300 倍の感度を有する。
・ 同センサーの特徴は、ピクセルアレーのスケールアップによる感度低下のトレードオフの課題に対処する分散型設計。個々の「ヘテロダイン」ピクセルが、うなり振動（サブテラヘルツ信号 2 種類の周波数の差）と局部発振（入力周波数を変換する電気信号）を発して、ベースバンドプロセッサが容易に認識できるメガヘルツレンジの信号を生成する。
・ LiDAR によるレーザーの往来時間の計算と同様に、この出力信号は物体までの距離の計算に使用できる。また、ピクセルアレーが発する出力信号を結合し、ピクセルを特定の方向に向けることで高解像度イメージングも可能。物体の検出だけでなく、自動運転車やロボットでの物体の認識も可能になる。
・ チップに位相同期ループ(PLL)を統合することで、物体の距離測定に不可欠な安定した局部発振信号の周波数を獲得。PLL は全 32 ヵ所の局部発振信号のサブテラヘルツ周波数を安定した低周波に固定する。ピクセルが結合しているため、高度に安定した同一の位相と周波数の局部発振信号が得られる。これにより、ベースバンド信号から有用な情報を確実に抽出。同設計の全体構造が信号損失を最低限に抑え、制御機能を最大化する。
・ 同分散型設計は、中央のポンプからパイプでつないだ個々のスプリンクラーに水を分配する灌漑システムにおいて、個々のスプリンクラーに中央ポンプと同等の出力機能を付与したものに例えられる。さらに、各スプリンクラー間で連絡し、パルス数を同期させる。
・ アンテナ、ダウンミキサー、発振器とカプラの 4 種類の機能を 1 個のマルチタスク型構成部品にまとめて各ピクセルに統合し、32 個のピクセルによる分散型設計を可能にした。ただし、各ピクセル面積の増大により、アレーでの大規模・高密度集積が課題となる可能性がある。
URL: http://news.mit.edu/2019/giving-keener-electric-eyesight-autonomous-vehicles-0214
（関連情報)
IEEE Journal of Solid-State Circuits 掲載論文(アブストラクトのみ：全文は有料）
A 32-Unit 240-GHz Heterodyne Receiver Array in 65-nm CMOS With Array-Wide Phase Locking
URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8637931
＜NEDO海外技術情報より＞
Abstract:
This paper reports a 32-unit phase-locked dense heterodyne receiver array at f RF = 240 GHz. To synthesize a large receiving aperture without large sidelobe response, this chip has the following two features. The first feature is the small size of the heterodyne receiver unit, which is only λ(f RF )/4 × λ(f RF )/2. It allows for the integration of two interleaved 4 × 4 arrays within a 1.2 mm 2 die area for concurrent steering of two independent beams. Such unit compactness is enabled by the multi-functionality of the receiver structure, which simultaneously accomplishes local oscillator (LO) generation, inter-unit LO synchronization, input wave coupling, and frequency downconversion. The second feature is the high scalability of the array, which is based on a strongly coupled 2-D LO network. Large array size is realizable simply by tiling more receiver units. With the upscaling of the array, our de-centralized design, contrary to its prior centralized counterparts, offers invariant conversion loss and lower LO phase noise. Meanwhile, the entire LO network is also locked to a 75-MHz reference, facilitating phase-coherent pairing with external sub-terahertz transmitters. A chip prototype using a bulk 65-nm CMOS technology is implemented, with a dc power of 980 mW. Phase locking of the 240-GHz LO is achieved among all 32 units, with a measured phase noise of -84 dBc/Hz (1-MHz offset). The measured sensitivity (BW = 1 kHz) of a single unit is 58 fW. Compared to previous square-law detector arrays of comparable scale and density, this chip provides phase-sensitive detection with ~4300× sensitivity improvement.
