Al integrar el diseño de antena y electrónica, los investigadores han aumentado la eficiencia energética y del espectro para una nueva clase de transmisores de ondas milimétricas, permitiendo una modulación mejorada y una generación reducida de calor residual. El resultado podría ser un mayor tiempo de conversación y mayores velocidades de datos en dispositivos de comunicación inalámbrica de onda milimétrica para futuras aplicaciones 5G.

La nueva técnica de co-diseño permite la optimización simultánea de las antenas y la electrónica de ondas milimétricas. Los dispositivos híbridos utilizan materiales convencionales y tecnología de circuitos integrados (IC), lo que significa que no se requerirían cambios para fabricarlos y empaquetarlos. El esquema de co-diseño permite la fabricación de múltiples transmisores y receptores en el mismo chip IC o en el mismo paquete, potencialmente habilitando sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO), así como también aumentando las velocidades de datos y la diversidad de enlaces.

Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia presentaron su transmisor de fase final basado en antenas de prueba de concepto el 11 de junio en el Simposio de circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC) de 2018 en Filadelfia. Su otro trabajo de codiseño de antena y electrónica se publicó en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido (ISSCC) IEEE de 2017 y 2018 y se revisó por varios pares. IEEE revistas. La Corporación Intel y la Oficina de Investigación del Ejército de los EE. UU. Patrocinaron la investigación.

"En esta prueba de ejemplo, Nuestra electrónica y nuestra antena fueron diseñadas para que puedan trabajar juntas para lograr una capacidad única de modulación de carga activa en fase de salida en la antena que mejora significativamente la eficiencia de todo el transmisor. "dijo Hua Wang, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech. "Este sistema podría reemplazar muchos tipos de transmisores en dispositivos móviles inalámbricos, estaciones base y enlaces de infraestructura en centros de datos ".

La clave del nuevo diseño es mantener una alta eficiencia energética, independientemente de si el dispositivo está funcionando a su potencia de salida máxima o media. La eficiencia de la mayoría de los transmisores convencionales es alta solo en la potencia máxima, pero cae sustancialmente a niveles bajos de potencia. resultando en una baja eficiencia al amplificar modulaciones complejas espectralmente eficientes. Es más, Los transmisores convencionales a menudo agregan las salidas de múltiples componentes electrónicos utilizando circuitos combinados de potencia con pérdida, exacerbando la degradación de la eficiencia.

"Estamos combinando la potencia de salida a través de una antena de cuadro de alimentación dual, y al hacerlo con nuestra innovación en antena y electrónica, podemos mejorar sustancialmente la eficiencia energética, "dijo Wang, quien es el profesor Demetrius T. Paris en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática. "La innovación en este diseño en particular es fusionar la antena y la electrónica para lograr la llamada operación de desfase que modula y optimiza dinámicamente los voltajes y corrientes de salida de los transistores de potencia, de modo que el transmisor de ondas milimétricas mantenga una alta eficiencia energética tanto en la potencia máxima como en la media ".

Más allá de la eficiencia energética, el codiseño también facilita la eficiencia del espectro al permitir protocolos de modulación más complejos. Eso permitirá la transmisión de una velocidad de datos más alta dentro de la asignación de espectro fijo que representa un desafío significativo para los sistemas 5G.

"Dentro del mismo ancho de banda del canal, el transmisor propuesto puede transmitir una velocidad de datos de seis a diez veces mayor, "Dijo Wang." La integración de la antena nos da más grados de libertad para explorar la innovación en el diseño, algo que no se podía hacer antes ".

Sensen Li, un asistente de investigación graduado de Georgia Tech que recibió el Premio al Mejor Trabajo Estudiantil en el simposio RFIC 2018, dijo que la innovación resultó de la unión de dos disciplinas que tradicionalmente han trabajado por separado.

"Estamos fusionando las tecnologías de la electrónica y las antenas, unir estas dos disciplinas para romper los límites, ", dijo." Estas mejoras no podrían lograrse trabajando en ellas de forma independiente. Aprovechando este nuevo concepto de co-diseño, podemos mejorar aún más el rendimiento de los futuros transmisores inalámbricos ".

Los nuevos diseños se han implementado en dispositivos IC SOI CMOS de 45 nanómetros y chips abatibles empaquetados en placas laminadas de alta frecuencia. cuando las pruebas hayan confirmado un aumento mínimo del doble en la eficiencia energética, Dijo Wang.

El co-diseño de la electrónica de la antena se habilita mediante la exploración de la naturaleza única de las antenas de alimentación múltiple.

"Una estructura de antena con múltiples alimentaciones nos permite utilizar múltiples componentes electrónicos para impulsar la antena al mismo tiempo. A diferencia de las antenas convencionales de alimentación única, Las antenas de alimentación múltiple pueden servir no solo como elementos radiantes, pero también pueden funcionar como unidades de procesamiento de señales que interactúan entre múltiples circuitos electrónicos, "Explicó Wang." Esto abre un paradigma de diseño completamente nuevo para tener diferentes circuitos electrónicos que dirigen la antena colectivamente con condiciones de señal diferentes pero optimizadas, lograr una eficiencia energética sin precedentes, eficiencia espectral y reconfigurabilidad ".

El co-diseño interdisciplinario también podría facilitar la fabricación y operación de múltiples transmisores y receptores en el mismo chip, permitiendo que cientos o incluso miles de elementos trabajen juntos como un sistema completo. "En sistemas MIMO masivos, necesitamos tener muchos transmisores y receptores, por lo que la eficiencia energética será aún más importante, Wang señaló.

Tener una gran cantidad de elementos trabajando juntos se vuelve más práctico en frecuencias de ondas milimétricas porque la reducción de la longitud de onda significa que los elementos se pueden colocar más cerca para lograr sistemas compactos. señaló. Estos factores podrían allanar el camino para nuevos tipos de formación de haces que son esenciales en los futuros sistemas 5G de ondas milimétricas.

Las demandas de energía podrían impulsar la adopción de la tecnología para dispositivos que funcionan con baterías, pero Wang dice que la tecnología también podría ser útil para sistemas alimentados por la red, como estaciones base o conexiones inalámbricas, para reemplazar cables en grandes centros de datos. En esas aplicaciones, expandir las velocidades de datos y reducir las necesidades de enfriamiento podría hacer que los nuevos dispositivos sean atractivos.

"Una mayor eficiencia energética también significa que se convertirá menos energía en calor que debe eliminarse para satisfacer la gestión térmica, ", dijo." En grandes centros de datos, incluso una pequeña reducción en la carga térmica por dispositivo puede sumar. Esperamos simplificar los requisitos térmicos de estos dispositivos electrónicos ".