Sammenlægning af antenne og elektronik øger energi- og spektrumeffektiviteten

Ved at integrere design af antenne og elektronik, forskere har øget energi- og spektrumeffektiviteten for en ny klasse af millimeterbølgesendere, tillader forbedret modulering og reduceret generering af spildvarme. Resultatet kan være længere taletid og højere datahastigheder i millimeterbølge trådløse kommunikationsenheder til fremtidige 5G-applikationer.

Den nye co-design teknik muliggør samtidig optimering af millimeterbølgeantennerne og elektronikken. Hybrid-enhederne bruger konventionelle materialer og integreret kredsløb (IC) teknologi, hvilket betyder, at der ikke kræves ændringer for at fremstille og pakke dem. Co-design-ordningen tillader fremstilling af flere sendere og modtagere på den samme IC-chip eller den samme pakke, potentielt muliggør multiple-input-multiple-output (MIMO)-systemer samt øge datahastigheder og linkdiversitet.

Forskere fra Georgia Institute of Technology præsenterede deres proof-of-concept antenne-baserede outphasing-sender den 11. juni ved 2018 Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC) i Philadelphia. Deres andre antenne-elektronik co-design arbejde blev offentliggjort på 2017 og 2018 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) og flere peer-reviewed IEEE journaler. Intel Corporation og U.S. Army Research Office sponsorerede forskningen.

"I dette bevis-på-eksempel, vores elektronik og antenne er designet således, at de kan arbejde sammen for at opnå en unik aktiv belastningsmoduleringsevne til udfasering på antennen, som markant forbedrer effektiviteten af ​​hele senderen, " sagde Hua Wang, en assisterende professor ved Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering. "Dette system kunne erstatte mange typer sendere i trådløse mobile enheder, basestationer og infrastrukturforbindelser i datacentre."

Nøglen til det nye design er at opretholde en høj energieffektivitet, uanset om enheden kører med sin maksimale eller gennemsnitlige udgangseffekt. Effektiviteten af ​​de fleste konventionelle sendere er kun høj ved spidseffekten, men falder væsentligt ved lave effektniveauer, hvilket resulterer i lav effektivitet ved forstærkning af komplekse spektralt effektive modulationer. I øvrigt, konventionelle transmittere tilføjer ofte output fra flere elektronik ved hjælp af tabsgivende effektkombineringskredsløb, forværre effektivitetsforringelsen.

"Vi kombinerer udgangseffekten gennem en dual-feed loop-antenne, og ved at gøre det med vores innovation inden for antenne og elektronik, vi kan forbedre energieffektiviteten væsentligt, " sagde Wang, der er Demetrius T. Paris-professor ved School of Electrical and Computer Engineering. "Innovationen i dette særlige design er at fusionere antennen og elektronikken for at opnå den såkaldte outphasing-operation, der dynamisk modulerer og optimerer udgangsspændingerne og -strømmene fra effekttransistorer, så millimeterbølgesenderen bevarer en høj energieffektivitet både ved spids- og gennemsnitseffekt."

Ud over energieffektivitet, co-designet letter også spektrumeffektivitet ved at tillade mere komplekse modulationsprotokoller. Det vil muliggøre transmission af en højere datahastighed inden for den faste spektrumallokering, hvilket udgør en betydelig udfordring for 5G-systemer.

"Inden for den samme kanalbåndbredde, den foreslåede sender kan transmittere seks til ti gange højere datahastighed, "Wang sagde. "Integration af antennen giver os flere grader af frihed til at udforske designinnovation, noget, der ikke kunne gøres før."

Sensen Li, en forskningsassistent fra Georgia Tech, der modtog prisen for bedste studerende ved RFIC-symposiet i 2018, sagde innovationen et resultat af at samle to discipliner, der traditionelt har arbejdet hver for sig.

"Vi fusionerer teknologierne inden for elektronik og antenner, at bringe disse to discipliner sammen for at bryde grænser, " sagde han. "Disse forbedringer kunne ikke opnås ved at arbejde på dem uafhængigt. Ved at drage fordel af dette nye co-design koncept, vi kan forbedre ydeevnen af ​​fremtidige trådløse sendere yderligere."

De nye designs er blevet implementeret i 45-nanometer CMOS SOI IC-enheder og flip-chip pakket på højfrekvente laminatplader, hvor afprøvning har bekræftet en mindst to gange stigning i energieffektiviteten, sagde Wang.

Antenneelektronik-co-designet er aktiveret ved at udforske den unikke natur af multi-feed-antenner.

"En antennestruktur med flere feeds giver os mulighed for at bruge flere elektronik til at drive antennen samtidigt. Forskellig fra konventionelle single-feed antenner, multi-feed antenner kan ikke kun tjene som udstrålende elementer, men de kan også fungere som signalbehandlingsenheder, der interfacer mellem flere elektroniske kredsløb, " Wang forklarede. "Dette åbner et helt nyt designparadigme for at have forskellige elektroniske kredsløb, der driver antennen kollektivt med forskellige, men optimerede signalforhold, opnå en hidtil uset energieffektivitet, spektral effektivitet og rekonfigurerbarhed."

Det tværfaglige co-design kunne også lette fremstilling og drift af flere sendere og modtagere på samme chip, lader hundreder eller endda tusindvis af elementer arbejde sammen som et helt system. "I massive MIMO-systemer, vi skal have mange sendere og modtagere, så energieffektivitet bliver endnu vigtigere, " bemærkede Wang.

At have et stort antal elementer, der arbejder sammen, bliver mere praktisk ved millimeterbølgefrekvenser, fordi bølgelængdereduktionen betyder, at elementer kan placeres tættere sammen for at opnå kompakte systemer, påpegede han. Disse faktorer kan bane vejen for nye typer stråleformning, der er essentielle i fremtidige millimeterbølge 5G-systemer.

Strømbehov kunne drive overtagelsen af ​​teknologien til batteridrevne enheder, men Wang siger, at teknologien også kan være nyttig til netdrevne systemer såsom basestationer eller trådløse forbindelser til at erstatte kabler i store datacentre. I disse applikationer, udvidelse af datahastigheder og reduktion af kølebehov kan gøre de nye enheder attraktive.

"Højere energieffektivitet betyder også, at mindre energi vil blive omdannet til varme, der skal fjernes for at tilfredsstille den termiske styring, " sagde han. "I store datacentre, selv en lille reduktion i termisk belastning pr. enhed kan tilføjes. Vi håber at forenkle de termiske krav til disse elektroniske enheder."