Leiterplattentechnisch - Eigenschaften der 60GHz Wireless Technologie

Die drahtlose Verbindung wird immer häufiger genutzt. Dieser Trend zeigt sich in der Unterhaltungselektronik, wo die Mobiltelefon- und Tablet-Märkte die Einführung verschiedener drahtloser Standards in den letzten zehn Jahren rasant vorangetrieben haben. Die Anzahl der WLAN-Hotspots in der Region hat 175 Millionen überschritten und wird voraussichtlich 330 Millionen erreichen. Auch die Gesamtzahl der Bluetooth-fähigen Produkte hat zugenommen, wobei die Anzahl der Bluetooth-fähigen Audiogeräte zwischen 2014 und 2018 um 400% zugenommen hat. Die meisten drahtlosen Technologien verwenden die gleichen 2,4GHz- und 5GHz-Bänder, die immer stärker überfüllt werden. Smartphone-Abonnements in 2015 werden auf 3,4 Milliarden geschätzt, von denen jedes mehr Datenbedarf bedeutet und die Ressourcen von Mobilfunknetzen und autorisierten Bändern ständig an die Grenzen treibt.

In den letzten Jahren ist eine neue Lösung entstanden, die die Ressourcenbeschränkungen der bestehenden Bänder lösen und die Einschränkungen bestehender drahtloser Lösungen durchbrechen kann. Im Millimeterwellenband (30 GHz/300 GHz) zeichnet sich das 60-GHz-Band durch sein Potenzial aus. Dieses Band ist in vielen Bereichen nicht autorisiert, so dass es für viele Anwendungen sehr bequem ist. Dies eröffnet die Möglichkeit für die Entstehung eines neuen Satzes integrierter Gigabit-Transceiver, die eine große Menge an Bandbreite über die bereits überfüllten 2,4GHz- und 5GHz-Bänder bereitstellen können.

Viele Anwendungen profitieren von der 60-GHz-Technologie. Im Bereich der Datenübertragung wird 60-GHz-Technologie eingesetzt, um bestehende WLAN-Anwendungen zu ersetzen, um Datenübertragungsraten bis zu 4,6 Gbps zu erreichen, fünfmal schneller als bestehende 802.11ac[4]-Standards. DrahtloseHD? Standards ermöglichen Videostreaming zwischen elektronischen Verbrauchergeräten. Hersteller fügen bereits WirelessHD-Unterstützung für Laptops, Smartphones, Digitalfernsehen, Videoprojektoren und Virtual Reality-Kopfhörer hinzu und erwarten, dass WirelessHD in mobilen Anwendungen, Heimkinos und anderen Computergeräten verwendet wird. Andere Bereiche haben auch begonnen, 60-GHz-Technologie zu entwickeln, einschließlich drahtloser Rückführungsanwendungen für Bürogebäude und Campus, die auf 60-GHz-Datenübertragungsanwendungen angewiesen sind, um schnell und einfach Verbindungen zwischen Gebäuden und drahtlose Anschlüsse für leichtere und stabilere Geräte aufzubauen. Die Nachfrage nach höherer Funkbreite und Hochgeschwindigkeits-HD-Videoübertragung beschränkt sich jedoch nicht auf Unterhaltungselektronik. Auch die Industrie kann von der Millimeterwellentechnologie profitieren. Dieser Artikel gibt den Lesern einen Überblick über die 60-GHz-Technologie, die nicht nur bestehende Anwendungen der Unterhaltungselektronik abdeckt, sondern auch potenzielle Anwendungen der Millimeterwellentechnologie in vielen verschiedenen Industriebereichen untersucht.

Übersicht über 60-GHz-Wireless-Technologie

Regulierungsbehörden, einschließlich der FCC der Vereinigten Staaten, haben Ausnahmebänder für verschiedene Branchen festgelegt. Das 60-GHz-Band hat eine Bandbreite von mehr als 7-GHz [5]. Es bietet mehr als das 20-fache der Bandbreitenressourcen im Vergleich zur 5GHz-Bandbreite.

Das 60-GHz-Band verfügt über einen breiten Spektrum-Bereich, bietet Netzwerkkapazität auf Gigabyte-Ebene und verfügt über mehrere wichtige Ausbreitungs- und Dämpfungseigenschaften, von denen neue leistungsstarke drahtlose Lösungen profitieren können.

Die 2,4GHz- und 5GHz-Bänder eignen sich für die Übertragung mittlerer Reichweite und sind ideal für lokale Netzwerkarchitekturen wie WLAN. Das 60-GHz-Band hat relativ kürzere Signalausbreitungsabstände und dämpft, wenn es durch Luft und feste Strukturen geht, was es zu einer idealen Wahl für Anwendungen mit kurzer Reichweite macht. Um den Vorteil von 60-GHz-Band, Phased-Array-Antenne, hochdirektionaler Strahl und Strahlsteuerungstechnologie voll auszuschöpfen, sind erforderlich. Redis Semiconductor bietet Hochfrequenz-Transceiver (RF) basierend auf SiBEAM-Technologie, die unter Verwendung der Standard-CMOS-IC-Technologie hergestellt und verpackt werden.

Anwendung

Die Eigenschaft der Millimeterwellentechnologie ist, dass Antennen in einem bestimmten Bereich gedreht werden müssen, um zu zielen, und verschiedene Arten von Anwendungen können nach verschiedenen Bereichen klassifiziert werden. Um die relevante Technologie zu demonstrieren, haben wir drei Anwendungstypen unterteilt: 10mm, 1-10m und 100m und höher.

[10mm] Drahtloser Anschluss

Innerhalb kürzester Distanz (meist rund 10mm) kann 60-GHz-Technologie als effiziente Alternative zu Kabeln eingesetzt werden. Speziell entwickelte drahtlose Sender- und Empfänger-ICs können verwendet werden, um Daten mit sehr hohen Raten über kurze Entfernungen zu übertragen und verdrahtete Verbindungen zu ersetzen.

Die 60-GHz-Technologie kann auch als alternative Lösung für physikalische Schnittstellen eingesetzt werden. Es ist nützlich für Anwendungen, die Haltbarkeit von Geräten erfordern, da es physikalische Schnittstellen eliminiert, die einer der häufigsten Fehler elektronischer Geräte und einer der Haupteingänge zu Wasser, Staub und anderen Partikeln sind, die elektronische Geräte beschädigen können. Neben den Ausfallraten erfordern einige spezielle Schnittstellen, wie zum Beispiel solche, die ein entfernbares Tablet-Notebook an ein Basisgerät oder eine herkömmliche Notebook-Basis anschließen, oft deutlich höhere Entwicklungs- und Implementierungskosten als standardisierte Steckverbinder.

[1-10m] Drahtlose Daten/Audio

In den mittleren Entfernungsanwendungen (1-10m) kann die 60-GHz-Technologie als schnelle Alternative zu bestehenden drahtlosen Anwendungen wie Wi-Fi und als Kabelalternative Lösung für drahtloses Video eingesetzt werden.

802.11ad ist ein von IEEE definierter 60-GHz-Datenübertragungsstandard, der auch 802.11a, 802.11b, 802.11n und 802.11ac Wi-Fi-Standards definiert. Große Player der Branche, wie Qualcomm, integrieren 802.11ad in ihr Produkt [6], was eine ultraschnelle Video- und Datenübertragung für Benutzer ermöglicht.

Die 60-GHz-Technologie eignet sich besonders für drahtlose Kabelaustauschlösungen. Hohe Bandbreite, geringe Latenz, Punkt-zu-Punkt-Architektur und Übertragungseigenschaften im Innenbereich machen es zu einer idealen Alternative für Innenkabel. Diese Technologie kann im Heimkino-System (Abb. 1) für die hochauflösende Videoübertragung eine Rolle spielen. Diese Technologie ermöglicht es Verbrauchern, Videoinhalte-Ausgabegeräte und TV-Bildschirme frei und flexibel zu platzieren und bietet Verbrauchern großen Komfort. Der WirelessHD-Standard entwickelt sich zu einer Technologie im Bereich der hochwertigen Videoübertragung, die die Vorteile des 60-GHz-Bandes voll ausnutzt, um eine überlegene drahtlose Benutzererfahrung zu erzielen.

Gigabit Wireless Link für den Außenbereich

Die Millimeterwellentechnologie kann auch bei zukünftigen Anwendungen der drahtlosen Rücklaufinfrastruktur, wie der 5G-Mobilkommunikationsinfrastruktur der nächsten Generation, der Erweiterung des festen Zugangs und der Punkt-zu-Punkt-Verbindungen auf dem Campus, eine wichtige Rolle spielen. Die drahtlose Kapazität von 60-GHz-Kanälen und hochoptimierte Hochfrequenzkerbindungen können die ideale "drahtlose Glasfaser" erreichen, um die bestehenden optischen Rücklaufanwendungen zu ersetzen.

Es gibt viele Systeme, die auf dem Markt miteinander konkurrieren, aber die meisten Systeme basieren derzeit auf dem IEEE 802.11ad-Standard. Zusätzlich zu den bereits erwähnten Indoor-Anwendungen umfasst die Überarbeitung des bestehenden 802.11-Standards die Verwendung von 60-GHzmm-Band zur Unterstützung von Langstreckenanwendungen (bis zu 500 Meter). Es verwendet die gleiche Strahlsteuerungstechnologie, die für 10-Meter-Raumverbindungen entwickelt wurde, um andere Anwendungen wie Access Point-Verbindungen und Rücklaufverbindungen im Freien zu unterstützen.

Industrielle Anwendungen

Die enormen Chancen, die die 60-GHz-Technologie für die Unterhaltungselektronik bringt, sind bereits offensichtlich, und die technologische Entwicklung in diesem Bereich wird sich weiterhin schnell entwickeln. Da die 60-GHz-Lösung im Unterhaltungselektronikmarkt weiter expandiert, untersuchen auch Hersteller der Branche, wie sie die Technologie nutzen können. Für viele industrielle Anwendungen können sie ebenso wie viele Anwendungen in der Unterhaltungselektronik von der 60-GHz-Technologie profitieren. Die Millimeterwellentechnologie ermöglicht es Herstellern, Kabel zu eliminieren und Mobilität und Flexibilität zu verbessern. Darüber hinaus haben viele neue Anwendungen, wie Zielerkennung oder Gestenerkennung mittels Millimeterwellentechnologie, im industriellen Bereich viel Aufmerksamkeit erregt.

Mechanische Vision

Industrielle mechanische Bildverarbeitungssysteme werden hauptsächlich zur Inspektion oder Führung von Robotern in Fertigungsprodukten eingesetzt [7]. Sie sind unverzichtbare Werkzeuge in modernen Fabriken, um bei der Herstellung hochwertiger und präziser Produkte in verschiedenen Industriebereichen zu helfen, einschließlich Elektronik, Fertigung und hochmoderner Bekleidungsproduktion. Mechanisches Sehen besteht aus drei Grundelementen: einem Bildfänger (ähnlich einer Kamera erfasst ein Bildsensor Rohdaten), einem Computer oder Prozessor, der die Daten analysiert, und einer Verbindungsverbindung. Bildverarbeitungssysteme unterstützen jetzt immer höhere Auflösungen, in der Regel durch die Verbindung mit einem Computer über ein Multicore-Kabel und anschließende Verarbeitung des Bildes.

Derzeit gibt es viele Standards für die Datenübertragung über Kabel. Kabellösungen sind jedoch mit vielen Einschränkungen konfrontiert. Für robotergeführte Anwendungen können Kabel die Aktion beeinflussen, und Bildaufnahmen und Kabel müssen sorgfältig geplant und ausgelegt werden. Darüber hinaus sind Standardkabellängen (oft zwischen 5 und 30 Meter, sofern nicht teure Glasfasern verwendet werden) ein großer Nachteil, insbesondere wenn man bedenkt, dass das Kabel Industriemaschinen und viele Hindernisse passieren muss, was bedeutet, dass der Computer in der Nähe des Werksgeländes sein muss. Da Computer und Kabel verwaltet werden müssen, gibt es viele Barrieren, und Computer, die rauen industriellen Umgebungen ausgesetzt sind, können zu einer kürzeren Lebensdauer führen.

Traditionelle drahtlose Lösungen sind keine ideale Alternative zu Kabeln, da sie eine hohe Latenz haben und Bildkompression erfordern. Jede Verzögerung, die durch die Verwendung drahtloser Lösungen verursacht wird, erhöht die Herstellungszeit und die Kosten, da die Produktionslinie verlangsamen muss, um die vom Computer benötigte Prozessorzeit aufzunehmen. Gleichzeitig erschwert die Bildkomprimierung dem Computer das Parsen des aufgenommenen Bildes.

Mit einer 60-GHz-Funklösung können eine oder mehrere Bildaufnahmen ohne Videokabel auf einer Maschine installiert werden. Diese Bilderfasser können Daten direkt an einen Computer übertragen oder eine drahtlose Verbindung herstellen, um eine Verbindung mit einer Zentrale herzustellen. Drahtloses Video ermöglicht es dem Roboter, sich frei zu bewegen, hilft versteckte Gefahren in Fabrikbereichen zu reduzieren, erleichtert die Einrichtung neuer Geräte und ermöglicht es Computern, sich von Fabrikbereichen in kontrolliertere Umgebungen zu bewegen. In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach mechanischer Bildverarbeitung dramatisch gestiegen, und die 60-GHz-Technologie ist darauf ausgerichtet, Systemen in den heutigen komplexen Arbeitsbereichen Flexibilität und Komfort zu bieten.

Monitor

Industrielle Überwachung ist ein weiterer Bereich, in dem Millimeterwellentechnik funktionieren kann. Überwachungssysteme in vielen Büros, Fabriken und Produktionsstätten sind veraltet und bieten nur eine geringe Bildauflösung. Die Aufrüstung dieser Systeme erfordert oft die Neuinstallation vorhandener Kabel, um neue Geräte anzupassen, was oft Millionen von Dollar kostet. WirelessHD vereinfacht den Prozess der Sanierung dieser Anlagen erheblich, indem hochwertigeres Video drahtlos an nahe gelegene Empfänger übertragen wird, solange es an das bestehende Stromnetz im alten System angeschlossen ist.

Medizinische Versorgung

Auch medizinische Anwendungen können stark von der 60-GHz-Technologie profitieren. Die digitale Bildgebung ist ein wichtiges Diagnosewerkzeug für Ärzte, insbesondere in Operationssälen, wo qualitativ hochwertige Bilder verbessert werden können, um Patienten effektiver zu behandeln. Das Einsetzen eines kompletten Sets von Computerausrüstung in den Operationssaal stellt jedoch zahlreiche Probleme dar, und das Problem wird ein Bündel von Kabeln sein, die schwer zu sterilisieren sind und möglicherweise zu Sicherheitsrisiken führen. Die Millimeterwellentechnologie kann beispielsweise helfen, indem Echtzeit-Videos drahtlos von einer Mikrokamera auf einen nahe gelegenen Monitor oder direkt auf ein Headset-Display in der Brille eines Chirurgen übertragen werden. Dies gewährleistet eine sterile Raumumgebung und reduziert den harten Aufwand für die Installation neuer Geräte.

Eine weitere mögliche Innovation der 60-GHz-Technologie im Operationssaal ist die Gestensteuerung. Die Millimeterwellen-Gestenerkennung kann die Bewegungsspur Ihres Fingers erkennen und ablesen, die in einer variablen Lichtumgebung schwieriger zu arbeiten ist und erhebliche Auswirkungen haben wird als die vorhandene Infrarotkamera-Technologie. Zuverlässige Gestensteuerung kann die Tasten an der Maschine ersetzen, was die Sterilisation des Geräts erleichtert.

Zusammenfassung

60-GHz-Technologie ist eine heiße neue Richtung im Bereich der drahtlosen Vernetzung. Neben der spannenden Vielfalt an Unterhaltungselektronik-Produkten, die heute auf dem Markt sind, gibt es auch eine Vielzahl von industriellen Anwendungen auf Basis der Millimeterwellentechnologie. Die herausragenden Vorteile der 60-GHz-Technologie, wie niedrige Latenz, hohe Bandbreite und standardisierte Schnittstellen, machen es zu einer idealen Wahl für viele industrielle Anwendungen mit guten Aussichten.