Il progetto strutturale DREAMS è incentrato sullo sviluppo di dispositivi compatti e funzionali per la trasmissione e la ricezione di segnali a onde millimetriche, nell’intervallo di frequenza compreso tra 10 GHz e 300 GHz.
Le attività del progetto si concentrano su quattro obiettivi di ricerca principali:
Obiettivo 1. Sviluppo di antenne e risonatori elettromagnetici basati su nanomateriali innovativi.
Obiettivo 2. Sviluppo di ricevitori e miscelatori ad alta frequenza (onde millimetriche, 10-300 GHz), basati su grafene o tecnologia CMOS.
Obiettivo 3. Progettazione e sviluppo di elementi radianti innovativi (SIW, SiGe-CMOS attivo, materiali bidimensionali).
Obiettivo 4. Studio e implementazione di soluzioni non convenzionali per la creazione di array di elementi radianti.
DREAMS fa parte dello Spoke 3 – Wireless Networks and Technologies
PI di progetto: Miriam Vitiello
O1. Le attività relative a questo obiettivo sono suddivise in due temi principali. Il primo è incentrato sulla crescita a grande superficie di materiali bidimensionali innovativi, con l'obiettivo di creare sistemi compatti e otticamente sintonizzabili. In particolare, sono stati sintetizzati ditelluri di metalli di transizione mediante deposizione chimica da vapore (CVD) (CNR-IMM): MoTe2 e PtTe2. Parallelamente, si sta sviluppando la crescita di materiali 2D come il tellurene o lo stanene multistrato. Inoltre, sono state modellate antenne planari basate su materiali bidimensionali innovativi (POLIMI) al fine di ottimizzare i loro parametri geometrici per massimizzare l'accoppiamento tra la radiazione incidente e il mezzo attivo. Il secondo tema (UNISAP) riguarda lo sviluppo di due apparati sperimentali di spettroscopia nel lontano infrarosso per la caratterizzazione dei materiali sviluppati nella prima attività. In particolare, è stato realizzato un setup di spettroscopia nel dominio della frequenza a onda continua (CW) che opera nella regione spettrale compresa tra 0,05 THz e 4 THz, basato sulla fotomiscelazione di due laser a diodi sintonizzabili. Parallelamente, è stato sviluppato un apparato di spettroscopia nel dominio del tempo, operante tra 0,1 THz e 10 THz, basato su antenne fotoconduttive.
O2. Il progetto sviluppa in parallelo due diverse piattaforme tecnologiche: da un lato dispositivi basati sulla tecnologia CMOS, dall'altro dispositivi realizzati in grafene. Nel primo caso, UNISAP ha implementato una piattaforma (TCAD) per la simulazione dell'effetto di rettifica (auto-miscelazione) all'interno di transistor a effetto di campo eccitati da radiazioni THz. Queste simulazioni preliminari ci hanno permesso di stabilire i parametri geometrici ottimali per la creazione di fotorivelatori scalabili a temperatura ambiente, potenzialmente integrabili in array di grandi dimensioni (obiettivo 100x100 pixel). Nel secondo caso, l'unità CNR-NANO ha sviluppato fotorivelatori innovativi, operanti nella regione spettrale compresa tra 2 THz e 3 THz, basati su grafene scalabile (cresciuto su un'ampia superficie mediante CVD), ottenendo risultati già competitivi rispetto ai dispositivi disponibili in commercio e dimostrando la fattibilità di creare piccoli array (3x4 pixel). Sono attualmente in fase di sviluppo architetture di grafene su silicio e grafene su polimero (geometria a specchio Salisbury). Nel prosieguo delle attività, i rivelatori al grafene saranno caratterizzati anche nell'intervallo spettrale delle onde millimetriche, ossia a frequenze comprese tra 100 GHz e 700 GHz. La valutazione del design del chip del ricevitore è stata effettuata confrontando le tecnologie di ST microelectronics e Lfoundry. Il chip comprenderà un array 4 x 4 in cui ogni elemento includerà l'antenna, il rivelatore THz basato su MOSFET e un amplificatore a basso rumore, progettato come sviluppato nel progetto DREAMS sulla base di una combinazione di diversi strumenti CAD. Negli ultimi tre mesi, inoltre, l'attività si è concentrata sulla progettazione di un banco di prova a catena TX-RX THz, per la realizzazione di un collegamento wireless TX/RX a 648 GHz basato su dispositivi disponibili in commercio. Il sistema comprende lo stress-test TX della modulazione OOK e dei codici scrambling/linea. Un approccio basato sulla moltiplicazione di frequenza viene utilizzato per produrre una portante sub-THz utilizzando l'estensione del generatore di segnali Virginia Diodes WM-380 con un fattore di moltiplicazione x54 Unità da acquistare in combinazione con le apparecchiature esistenti presso i laboratori Sapienza. O3. Sono state simulate e create (UNICT) antenne a doppia banda (3,7 GHz e 27 GHz), le cui prestazioni sono state studiate sia in configurazione a singolo elemento sia in configurazione array. In particolare, la progettazione dell'array si è concentrata sulla definizione delle distanze ottimali tra gli elementi per consentire la valutazione della direzione di arrivo del segnale incidente con la massima precisione in termini di angolo. UNICT ha avviato uno studio sulle antenne slot a guida d'onda parallela (PPW-SA) e sulle antenne slot integrate nel substrato (SIW-SA), sviluppando un approccio per sintetizzare il campo desiderato all'apertura dell'antenna attraverso la regolazione dei parametri geometrici della slot. Parallelamente, POLIBA ha studiato l'integrazione di antenne nella gamma di frequenza tra 10 GHz e 60 GHz con metamateriali per migliorare il guadagno del singolo elemento radiante. Inoltre, si stanno studiando tre strategie alternative per la fabbricazione di antenne a 27 GHz: (i) fabbricazione di antenne conformali a microstriscia su substrati sottili, (ii) utilizzo di sub-array su substrati tessili, (iii) stampa a getto d'inchiostro con inchiostro conduttivo.
O4. Sono state studiate diverse possibili architetture per la creazione di phased-array (POLIMI), al fine di creare sistemi per il controllo attivo della fase da utilizzare in applicazioni di beam-forming e beam-steering. L'architettura cosiddetta Localized LO-Phase-Shifting (LOPS) è stata identificata come la più promettente in termini di risoluzione di fase e formazione del fascio emesso. È stato progettato un dimostratore composto da quattro LOPS operanti nella banda E (60 GHz - 90 GHz) e interamente basato su tecnologia CMOS.
Bandi a cascata:
O2. Il progetto sviluppa in parallelo due diverse piattaforme tecnologiche: da un lato dispositivi basati sulla tecnologia CMOS, dall'altro dispositivi realizzati in grafene. Nel primo caso, UNISAP ha implementato una piattaforma (TCAD) per la simulazione dell'effetto di rettifica (auto-miscelazione) all'interno di transistor a effetto di campo eccitati da radiazioni THz. Queste simulazioni preliminari ci hanno permesso di stabilire i parametri geometrici ottimali per la creazione di fotorivelatori scalabili a temperatura ambiente, potenzialmente integrabili in array di grandi dimensioni (obiettivo 100x100 pixel). Nel secondo caso, l'unità CNR-NANO ha sviluppato fotorivelatori innovativi, operanti nella regione spettrale compresa tra 2 THz e 3 THz, basati su grafene scalabile (cresciuto su un'ampia superficie mediante CVD), ottenendo risultati già competitivi rispetto ai dispositivi disponibili in commercio e dimostrando la fattibilità di creare piccoli array (3x4 pixel). Sono attualmente in fase di sviluppo architetture di grafene su silicio e grafene su polimero (geometria a specchio Salisbury). Nel prosieguo delle attività, i rivelatori al grafene saranno caratterizzati anche nell'intervallo spettrale delle onde millimetriche, ossia a frequenze comprese tra 100 GHz e 700 GHz. La valutazione del design del chip del ricevitore è stata effettuata confrontando le tecnologie di ST microelectronics e Lfoundry. Il chip comprenderà un array 4 x 4 in cui ogni elemento includerà l'antenna, il rivelatore THz basato su MOSFET e un amplificatore a basso rumore, progettato come sviluppato nel progetto DREAMS sulla base di una combinazione di diversi strumenti CAD. Negli ultimi tre mesi, inoltre, l'attività si è concentrata sulla progettazione di un banco di prova a catena TX-RX THz, per la realizzazione di un collegamento wireless TX/RX a 648 GHz basato su dispositivi disponibili in commercio. Il sistema comprende lo stress-test TX della modulazione OOK e dei codici scrambling/linea. Un approccio basato sulla moltiplicazione di frequenza viene utilizzato per produrre una portante sub-THz utilizzando l'estensione del generatore di segnali Virginia Diodes WM-380 con un fattore di moltiplicazione x54 Unità da acquistare in combinazione con le apparecchiature esistenti presso i laboratori Sapienza. O3. Sono state simulate e create (UNICT) antenne a doppia banda (3,7 GHz e 27 GHz), le cui prestazioni sono state studiate sia in configurazione a singolo elemento sia in configurazione array. In particolare, la progettazione dell'array si è concentrata sulla definizione delle distanze ottimali tra gli elementi per consentire la valutazione della direzione di arrivo del segnale incidente con la massima precisione in termini di angolo. UNICT ha avviato uno studio sulle antenne slot a guida d'onda parallela (PPW-SA) e sulle antenne slot integrate nel substrato (SIW-SA), sviluppando un approccio per sintetizzare il campo desiderato all'apertura dell'antenna attraverso la regolazione dei parametri geometrici della slot. Parallelamente, POLIBA ha studiato l'integrazione di antenne nella gamma di frequenza tra 10 GHz e 60 GHz con metamateriali per migliorare il guadagno del singolo elemento radiante. Inoltre, si stanno studiando tre strategie alternative per la fabbricazione di antenne a 27 GHz: (i) fabbricazione di antenne conformali a microstriscia su substrati sottili, (ii) utilizzo di sub-array su substrati tessili, (iii) stampa a getto d'inchiostro con inchiostro conduttivo.
O4. Sono state studiate diverse possibili architetture per la creazione di phased-array (POLIMI), al fine di creare sistemi per il controllo attivo della fase da utilizzare in applicazioni di beam-forming e beam-steering. L'architettura cosiddetta Localized LO-Phase-Shifting (LOPS) è stata identificata come la più promettente in termini di risoluzione di fase e formazione del fascio emesso. È stato progettato un dimostratore composto da quattro LOPS operanti nella banda E (60 GHz - 90 GHz) e interamente basato su tecnologia CMOS.
Bandi a cascata:
- è stata eseguita la progettazione di array riconfigurabili basati su un'architettura di progettazione modulare e l'adozione di approcci di sintesi di modelli, molto efficienti per affrontare elementi radianti realistici non ideali, compensando le tolleranze di posizione degli elementi e gli effetti di dilatazione termica.
- progettazione e simulazione di un modulatore di ampiezza e fase nella gamma 20 GHz – 500 GHz, sfruttando grafene/elettrolita liquido.
- produzione di semimetalli topologici basati su ditelluridi di metalli di transizione;
- ottimizzazione strutturale dei ditelluri metallici di transizione per l'integrazione in dispositivi a transistor
- ingegnerizzazione della larghezza del canale di un MOSFTET operante nell'onda mm per determinare l'impedenza del dispositivo da accoppiare all'impedenza dell'antenna il cui segnale ricevuto può essere misurato tra il gate e la sorgente del rivelatore basato su MOSFET.
- Antenna 8x8 SIW a piccolo array con soluzione di alimentazione e substrato parzialmente riempito
- sviluppo di fotorivelatori THz a onde millimetriche, basati su eterostrutture scalabili di grafene-hBN e su specchi di Salisbury scalabili a base di grafene.
- lo sviluppo di un'antenna small array SIW 8x8 con soluzione di alimentazione e substrato parzialmente riempito
- lo sviluppo di fotorilevatori mmWave THz, basati su eterostrutture scalabili di grafene-hBN e su specchi Salisbury scalabili a base di grafene.
- In entrambi i casi, le prestazioni all’avanguardia consentiranno la produzione industriale di ricetrasmettitori e componenti ottici adatti alla realizzazione di un sistema prototipale per comunicazioni wireless veloci con evidenti ricadute economiche e sociali
Papers:
L Viti, et al “Real-Time Measure of the Lattice Temperature of a Semiconductor Heterostructure Laser via an On-Chip Integrated Graphene Thermometer”, ACS Nano 2023, 17,6, 6103–6112.
Md. I. Khan, F. Anelli, A. M. Loconsole, V. V. Francione, and F. Prudenzano, “Ultra-Thin Metasurfacefor High Gain and Beam Steering at 5G Millimiter Wave Applications,” 2024 24th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), Bari, Italy, 14-18 July 2024 (Accepted).
M. Simone et al., "A Dual Linearly Polarized Array for 5G FR2," 2024 18th European Conference on Antennasand Propagation (EuCAP), Glasgow, United Kingdom, 2024, pp. 1-5, doi: 10.23919/EuCAP60739.2024.10501140.
Il progetto si avvale della collaborazione con Quantavis (cascade call) e della collaborazione con Keysight tramite collaborazioni sub-interne.
Partner di programma:
- Consiglio Nazionale delle Ricerche
- Politecnico di Bari
- Politecnico di Milano
- Università degli Studi di Catania
- Università degli Studi di Roma "La Sapienza"
- Keysight Technologies Italy Srl
- Quantavis Srl
- Università degli Studi dell'Aquila
- Università degli Studi della Campania "Luigi Vanvitelli"
- Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale
- Università degli Studi di Genova
- Università degli Studi di Napoli Parthenope
- Università degli Studi di Pavia
- Università degli Studi di Pisa
- Università degli Studi di Salerno
- Università della Calabria
Pubblicazioni
- Expected: at least 40 publications on 36 months
- Accomplished: 7
- Readiness: 25%
- Expected: 30% joint publications on 36 months
- Accomplished: 0
- Readiness: 120%
- Expected: 30 talks or event chairing/organizing within DREAMS activities on 36 months
- Accomplished: 5
- Readiness: >100%
- Expected: 5 PoCs expected by the end of the project
- Accomplished: 0
- Readiness: 0% (work according to plan
- Expected: 15 meetings
- Accomplished: 5 meeting
- Readiness:100%
- Expected: 5
- Accomplished: 0
- Readiness: 100%
- MS0.1 Internal communication tools (M03)
- MS0.2 Definition of the scientific content of the cascade calls (M03)
- Attesi: 2
- Completati: 2
- Readiness: 100%
Ricercatori coinvolti: 150
Proposte di collaborazione:
Il progetto è aperto a collaborazioni sui seguenti argomenti:
- modulatori ottici
- nuovi trasduttori sub-THz e THz
- nuovi set-up di misura per array di antenne.
È possibile avanzare proposte di collaborazione sul progetto contattando il PI del progetto.
DREAMS News: