Door het ontwerp van antenne en elektronica te integreren, onderzoekers hebben de energie- en spectrumefficiëntie verhoogd voor een nieuwe klasse millimetergolfzenders, waardoor verbeterde modulatie en verminderde opwekking van afvalwarmte mogelijk is. Het resultaat kan een langere gesprekstijd en hogere datasnelheden zijn in draadloze communicatieapparaten met millimetergolven voor toekomstige 5G-toepassingen.

De nieuwe co-designtechniek maakt gelijktijdige optimalisatie van de millimetergolfantennes en elektronica mogelijk. De hybride apparaten gebruiken conventionele materialen en geïntegreerde circuit (IC) technologie, wat betekent dat er geen wijzigingen nodig zijn om ze te vervaardigen en te verpakken. Het co-design-schema maakt de fabricage van meerdere zenders en ontvangers op dezelfde IC-chip of hetzelfde pakket mogelijk, mogelijk multi-input-multiple-output (MIMO)-systemen mogelijk te maken en de datasnelheden en linkdiversiteit te verhogen.

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology presenteerden hun proof-of-concept op antennes gebaseerde outphasing-zender op 11 juni op het 2018 Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC) in Philadelphia. Hun andere co-designwerk op het gebied van antenne-elektronica werd gepubliceerd op de IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) in 2017 en 2018. IEEE tijdschriften. De Intel Corporation en het onderzoeksbureau van het Amerikaanse leger sponsorden het onderzoek.

"In dit voorbeeld van onze elektronica en antenne zijn zo ontworpen dat ze kunnen samenwerken om een ​​uniek vermogen tot actieve belastingmodulatie op de antenne te bereiken dat de efficiëntie van de hele zender aanzienlijk verbetert, " zei Hua Wang, een assistent-professor aan de Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering. "Dit systeem zou vele soorten zenders in draadloze mobiele apparaten kunnen vervangen, basisstations en infrastructuurverbindingen in datacenters."

De sleutel tot het nieuwe ontwerp is het handhaven van een hoge energie-efficiëntie, ongeacht of het apparaat op zijn piek- of gemiddeld uitgangsvermogen werkt. De efficiëntie van de meeste conventionele zenders is alleen hoog bij het piekvermogen, maar daalt aanzienlijk bij een laag vermogen. wat resulteert in een lage efficiëntie bij het versterken van complexe spectraal efficiënte modulaties. Bovendien, conventionele zenders voegen vaak de uitgangen van meerdere elektronica toe met behulp van lossy power combiner-circuits, verergering van de achteruitgang van de efficiëntie.

"We combineren het uitgangsvermogen via een dual-feed lusantenne, en door dit te doen met onze innovatie in de antenne en elektronica, we de energie-efficiëntie aanzienlijk kunnen verbeteren, " zei Wang, wie is de Demetrius T. Paris Professor in de School of Electrical and Computer Engineering. "De innovatie in dit specifieke ontwerp is om de antenne en elektronica samen te voegen om de zogenaamde uitfaseringsbewerking te bereiken die de uitgangsspanningen en -stromen van vermogenstransistoren dynamisch moduleert en optimaliseert, zodat de millimetergolfzender een hoge energie-efficiëntie behoudt, zowel bij het piek- als bij het gemiddelde vermogen."

Naast energie-efficiëntie, het co-ontwerp vergemakkelijkt ook de efficiëntie van het spectrum door complexere modulatieprotocollen mogelijk te maken. Dat zal transmissie mogelijk maken van een hogere datasnelheid binnen de vaste spectrumtoewijzing die een grote uitdaging vormt voor 5G-systemen.

"Binnen dezelfde kanaalbandbreedte, de voorgestelde zender kan zes tot tien keer hogere datasnelheid verzenden, Wang zei. "Het integreren van de antenne geeft ons meer vrijheid om ontwerpinnovatie te onderzoeken, iets wat voorheen niet kon."

Sensen Li, een afgestudeerde onderzoeksassistent van Georgia Tech die de Best Student Paper Award ontving op het RFIC-symposium van 2018, zei dat de innovatie het resultaat was van het samenbrengen van twee disciplines die traditioneel afzonderlijk hebben gewerkt.

"We voegen de technologieën van elektronica en antennes samen, deze twee disciplines samenbrengen om grenzen te doorbreken, " zei hij. "Deze verbeteringen konden niet worden bereikt door er onafhankelijk aan te werken. Door gebruik te maken van dit nieuwe co-design concept, we kunnen de prestaties van toekomstige draadloze zenders verder verbeteren."

De nieuwe ontwerpen zijn geïmplementeerd in 45-nanometer CMOS SOI IC-apparaten en flip-chip verpakt op hoogfrequente laminaatborden, waar testen een minimale tweevoudige toename van de energie-efficiëntie hebben bevestigd, zei Wang.

Het co-ontwerp van antenne-elektronica wordt mogelijk gemaakt door het unieke karakter van multi-feed antennes te verkennen.

"Een antennestructuur met meerdere feeds stelt ons in staat om meerdere elektronica te gebruiken om de antenne gelijktijdig aan te sturen. Anders dan conventionele single-feed antennes, multi-feed antennes kunnen niet alleen dienen als stralende elementen, maar ze kunnen ook functioneren als signaalverwerkingseenheden die een interface vormen tussen meerdere elektronische circuits, Wang legde uit. "Dit opent een volledig nieuw ontwerpparadigma om verschillende elektronische circuits de antenne gezamenlijk aan te sturen met verschillende maar geoptimaliseerde signaalcondities. het bereiken van een ongekende energie-efficiëntie, spectrale efficiëntie en herconfigureerbaar."

Het multidisciplinaire co-ontwerp zou ook de fabricage en werking van meerdere zenders en ontvangers op dezelfde chip kunnen vergemakkelijken, waardoor honderden of zelfs duizenden elementen kunnen samenwerken als een geheel systeem. "In enorme MIMO-systemen, we hebben veel zenders en ontvangers nodig, dus energie-efficiëntie wordt nog belangrijker, ’ merkte Wang op.

Het is praktischer om grote aantallen elementen samen te laten werken bij millimetergolffrequenties, omdat de golflengtereductie betekent dat elementen dichter bij elkaar kunnen worden geplaatst om compacte systemen te bereiken, hij wees erop. Deze factoren kunnen de weg vrijmaken voor nieuwe soorten beamforming die essentieel zijn in toekomstige millimetergolf 5G-systemen.

Stroomvereisten kunnen de acceptatie van de technologie voor apparaten op batterijen stimuleren, maar Wang zegt dat de technologie ook nuttig kan zijn voor op het elektriciteitsnet aangesloten systemen zoals basisstations of draadloze verbindingen om kabels in grote datacenters te vervangen. In die toepassingen het uitbreiden van datasnelheden en het verminderen van koelingsbehoeften kunnen de nieuwe apparaten aantrekkelijk maken.

"Hogere energie-efficiëntie betekent ook dat er minder energie wordt omgezet in warmte die moet worden afgevoerd om te voldoen aan het thermisch beheer, " zei hij. "In grote datacenters, zelfs een kleine vermindering van de thermische belasting per apparaat kan oplopen. We hopen de thermische vereisten van deze elektronische apparaten te vereenvoudigen."