Technique RF - Synthèse de faisceaux d'ondes millimétriques

Auparavant, nous avons partagé des scénarios de déploiement et des considérations de propagation pour les cartes de communication à ondes millimétriques. Aujourd'hui, nous allons étudier diverses méthodes de formation de faisceaux: analogique, numérique et hybride. Je suis sûr que vous connaissez tous le concept de formation de faisceaux simulés. Ici, nous avons des convertisseurs de données qui peuvent convertir des signaux numériques en bande de base large bande ou en signaux de fréquence intermédiaire et connecter des émetteurs - récepteurs radio qui effectuent un traitement de conversion ascendant et descendant. En RF (par exemple, 28 GHz), nous divisons un seul chemin RF en plusieurs chemins et effectuons une synthèse de faisceau en contrôlant la phase de chaque chemin pour former un faisceau en champ lointain dans la direction de l'utilisateur cible. Cela permet à chaque chemin de données de diriger un seul faisceau, de sorte qu'en théorie, nous pouvons utiliser cette architecture pour servir un utilisateur à la fois.

Le Beamforming numérique est ce qu'il dit. Le déphasage est entièrement réalisé dans le circuit numérique et est alors envoyé au réseau d'antennes via le réseau d'émetteurs - récepteurs. En termes simples, chaque émetteur - récepteur est relié à un élément d'antenne, mais en pratique, selon la forme du secteur souhaité, chaque dispositif Radio peut comporter plusieurs éléments d'antenne. Cette approche numérique permet une capacité et une flexibilité maximales et prend en charge la planification du développement MIMO Multi - utilisateurs à des fréquences d'ondes millimétriques similaires aux systèmes if. Ceci est très complexe compte tenu des technologies actuellement disponibles et consommera trop de courant continu, que ce soit dans des circuits radiofréquences ou numériques. Cependant, avec le développement des technologies futures, la radio à ondes millimétriques permettra la synthèse de faisceaux numériques.

La méthode de formation de faisceaux la plus pratique et la plus efficace de ces derniers temps est la formation de faisceaux hybride numérique - analogique, qui combine essentiellement le précodage numérique et la formation de faisceaux analogique pour produire plusieurs faisceaux simultanément dans un seul espace (réutilisation spatiale). En canalisant la puissance vers l'utilisateur cible avec un faisceau étroit, la station de base peut réutiliser le même spectre tout en desservant plusieurs utilisateurs dans un intervalle de temps donné. Bien que plusieurs méthodes différentes de formation de faisceaux hybrides aient été rapportées dans la littérature, la méthode de sous - réseau présentée ici est la mise en oeuvre la plus pratique, simulant essentiellement les étapes et les répétitions de formation de faisceaux. Actuellement, les systèmes rapportés prennent en charge deux à huit flux numériques et peuvent être utilisés pour prendre en charge un seul utilisateur à la fois ou pour fournir deux ou plusieurs couches de MIMO à un plus petit nombre d'utilisateurs.

Regardons de plus près les options techniques pour simuler la formation de faisceaux, les blocs de construction pour la formation de faisceaux hybrides. Ici, nous avons traité le système analogique de formation de faisceaux en trois modules: numérique, BIT - to - Millimeter et formation de faisceaux. Ce n'est pas vraiment la façon dont le système est divisé, car on aurait placé tous les composants d'ondes millimétriques à proximité pour réduire les pertes, mais la raison de cette division est rapidement devenue évidente.

Diverses méthodes de synthèse de faisceaux

La capacité de formation de faisceaux est entraînée par plusieurs facteurs, y compris la forme et la distance des segments, les niveaux de puissance, les pertes de trajet, les limites thermiques, etc. et est la segmentation des systèmes à ondes millimétriques qui nécessitent une certaine flexibilité à mesure que l'industrie apprend et mûrit. Même ainsi, de la petite cellule à la macro, divers niveaux de puissance de transmission sont encore nécessaires pour faire face à différents scénarios de déploiement. D'autre part, les radios bits à ondes millimétriques pour les stations de base nécessitent moins de flexibilité et peuvent être largement dérivées des spécifications actuelles de release 15. En d'autres termes, le concepteur peut combiner plusieurs configurations de mise en forme de faisceau pour réutiliser la même radio. Ce n'est pas différent des systèmes radio cellulaires actuels, où de petits segments de signal sont communs sur les plates - formes et où le Front - end de chaque cas d'utilisation est plus personnalisé.

Lorsque nous sommes passés du numérique aux antennes, nous avons cartographié les progrès de la technologie sous - jacente à la chaîne de signal. Bien sûr, les signaux numériques et les signaux mixtes sont générés dans le processus CMOS à ligne fine. Selon les besoins de la station de base, l'ensemble de la chaîne de signaux peut être développé en CMOS ou, plus probablement, en combinaison avec des technologies offrant des performances optimales à la chaîne de signaux. Par example, une configuration courante consiste à utiliser un convertisseur de données CMOS avec une conversion haute performance SiGe - BiCMOS if en ondes millimétriques. Comme le montre la figure, la formation de faisceau peut être réalisée en utilisant plusieurs techniques, en fonction des besoins du système, dont nous parlerons ci - dessous. En fonction de la taille de l'antenne choisie et des besoins en puissance d'émission, il est possible de mettre en oeuvre une méthode de silicium hautement intégrée ou une combinaison de formation de faisceaux de silicium avec un PA et un LNA discrets.

Relation entre la puissance de l'émetteur requise pour l'antenne DBM EIRP, la taille de l'antenne et le choix de la technologie des semi - conducteurs

Dans les travaux précédents, on a analysé la relation entre la puissance de l'émetteur et les choix techniques, qui ne seront pas rappelés ici. Cependant, pour résumer cette analyse, nous avons inclus un graphique dans la figure 3. Le choix de la technologie d'amplification de puissance est basé sur une prise en compte intégrée de la puissance d'émission requise, du gain d'antenne (nombre d'éléments) et de la capacité de génération RF de la technologie choisie. L'utilisation de la technologie II - V (Low Integration Method) ou d'une approche hautement intégrée à base de silicium sur le Front permet d'obtenir l'EIRP souhaité avec moins d'éléments d'antenne. Chaque méthode a ses avantages et ses inconvénients, et la mise en œuvre pratique dépend des compromis techniques en termes de taille, de poids, de puissance CC et de coût. Pour générer une EIRP de 60 DBM pour le cas déduit dans le tableau 1, l'analyse effectuée par le Dr Thomas Cameron d'Adi dans sa présentation "Architecture and Technology for 5G mmwave radio" à la Conférence internationale sur les circuits à semi - conducteurs 2018 a conclu que la taille optimale de l'antenne est comprise entre 128 et 256 éléments, un nombre inférieur étant atteint grâce à un amplificateur de puissance GaAs, Alors que l'utilisation d'un formage de faisceau entièrement en silicium basé sur la technologie RF IC permet d'atteindre de plus grandes quantités.

Examinons maintenant la question sous un autre angle. L'EIRP de 60 DBM est une cible commune de l'EIRP pour les FWA, mais cette valeur peut être supérieure ou inférieure en fonction de la plage attendue de la station de base et de son environnement. Étant donné que les scénarios de déploiement varient considérablement, qu'il s'agisse de zones bordées d'arbres, de canyons de rue ou de larges clairières, un grand nombre de problèmes de perte de sentiers doivent être résolus au cas par cas. Par exemple, dans un déploiement urbain intensif supposé los, l'objectif EIRP peut être aussi bas que 50 DBM.

La FCC définit les spécifications définies et publiées par catégorie d'équipement, ainsi que les limites de puissance de transmission, et nous suivons ici la terminologie de la station de base 3GPP. La variété des dispositifs limite plus ou moins le choix technique des amplificateurs de puissance.

Diverses technologies d'adaptation dimensionnelle par radio à ondes millimétriques basées sur la puissance d'émission

Bien que ce ne soit pas une science exacte, nous pouvons voir que les appareils d'utilisateurs mobiles (téléphones portables) sont bien adaptés à la technologie CMOS, où la puissance d'émission requise peut être atteinte avec un nombre relativement faible d'antennes. Ce type de radio nécessite un haut niveau d'intégration et d'efficacité énergétique pour répondre aux besoins des appareils portables. Les exigences pour les stations de base locales (petites cellules) et les équipements terminaux grand public (Alimentations portables) sont similaires et concernent une gamme de technologies allant des exigences de puissance d'émetteur CMOS bas de gamme aux exigences de SiGe - BiCMOS haut de gamme. Les stations de base de milieu de gamme sont parfaitement adaptées à la technologie SiGe - BiCMOS et peuvent atteindre des dimensions globales compactes. À l'extrémité supérieure, pour les stations de base étendues, diverses techniques peuvent être appliquées, en fonction du compromis entre la taille de l'antenne et le coût de la technologie. Bien que le sige - BiCMOS puisse être appliqué dans la gamme EIRP de 60 DBM, les amplificateurs de puissance GaAs ou Gan sont mieux adaptés à des puissances plus élevées.

Un instantané de la technologie actuelle, mais l'industrie fait beaucoup de chemin, la technologie continue de s'améliorer et l'amélioration de l'efficacité de la puissance DC des amplificateurs de puissance mmwave est l'un des principaux défis pour les concepteurs.

Avec l'avènement de nouvelles technologies et architectures PA, la courbe de la carte de communication à ondes millimétriques changera et fournira une structure plus intégrée pour les stations de base de haute puissance. Enfin, passons en revue les points ci - dessus pour résumer la Section de formation de faisceau - il n'y a pas d'approche universelle et diverses conceptions frontales peuvent être nécessaires pour résoudre divers cas d'utilisation allant de la petite cellule à la macro.