Tecnologia RF - Sintesi del fascio di onde millimetriche

In precedenza, abbiamo condiviso scenari di distribuzione delle schede di comunicazione a onde millimetriche e considerazioni sulla propagazione. Oggi esamineremo vari metodi di beamforming: analogico, digitale e ibrido. Sono sicuro che conoscete tutti il concetto di beamforming analogico. Qui, abbiamo convertitori di dati che convertono i segnali digitali da e verso la banda base a banda larga o segnali IF, collegando ricetrasmettitori radio che eseguono l'elaborazione di conversione su e giù. In rf (ad esempio, 28 GHz), dividiamo un singolo percorso RF in percorsi multipli ed eseguiamo la sintesi del fascio controllando la fase di ogni percorso per formare un fascio nel campo lontano nella direzione dell'utente target. Questo permette ad ogni percorso dati di guidare un singolo fascio, quindi in teoria, potremmo usare l'architettura per servire un utente alla volta.

Il beamforming digitale significa quello che dice. Lo spostamento di fase viene implementato interamente in un circuito digitale e quindi alimentato all'antenna tramite un array ricetrasmettitore. In poche parole, ogni ricetrasmettitore è collegato a un elemento antenna, ma in pratica, ogni radio può avere più elementi antenna, a seconda della forma del settore desiderato. Questo approccio digitale consente la massima capacità e flessibilità e supporta la pianificazione dello sviluppo MIMO multiutente a frequenze d'onda millimetrica, simile ai sistemi if. Questo è molto complesso e consumerà troppa corrente continua, sia in circuiti rf che digitali, data la tecnologia attualmente disponibile. Tuttavia, con lo sviluppo della tecnologia futura, la radio a onde millimetriche avrà sintesi digitale del fascio.

Il più pratico ed efficace metodo di beamforming recente è il beamforming ibrido digitale-analogico, che combina essenzialmente la precondizione digitale con beamforming analogico per produrre più fasci contemporaneamente in un unico spazio (riutilizzo spaziale). Dirigendo l'energia a un utente target con un fascio stretto, una stazione base può riutilizzare lo stesso spettro mentre serve più utenti in una determinata fascia temporale. Sebbene ci siano diversi approcci al beamforming ibrido riportati in letteratura, l'approccio subarray mostrato qui è l'implementazione più pratica, essenzialmente simulando i passaggi e la ripetizione del beamforming. Attualmente, il sistema segnalato supporta da due a otto flussi digitali e può essere utilizzato per supportare un singolo utente allo stesso tempo o per fornire due o più livelli di MIMO a un numero minore di utenti.

Diamo un'occhiata più da vicino alle opzioni tecniche per il beamforming analogico, vale a dire blocchi di costruzione per il beamforming ibrido. Qui, dividiamo il sistema analogico di beamforming in tre moduli per l'elaborazione: digitale, onda bit a millimetro e beamforming. Questo non è il modo in cui un sistema reale è diviso, poiché si metterebbero tutti i componenti dell'onda millimetrica vicino per ridurre le perdite, ma il motivo di questa divisione diventa presto evidente.

Vari metodi di sintesi del fascio

Le capacità di beamforming sono guidate da diversi fattori, tra cui forma e distanza del segmento, livelli di potenza, perdite di percorso, limiti termici, ecc., e sono segmenti di sistemi a onde millimetriche che richiedono una certa flessibilità man mano che l'industria impara e matura. Tuttavia, una varietà di livelli di potenza di trasmissione continueranno a essere necessari per affrontare diversi scenari di distribuzione, dalle piccole celle alle macro. Le radio a onde da bit a millimetro per stazioni base, d'altra parte, richiedono molta meno flessibilità e possono essere in gran parte derivate dalla specifica corrente Release 15. In altre parole, i progettisti possono riutilizzare la stessa radio in combinazione con più configurazioni di beamforming. Questo non è diverso dagli attuali sistemi radio cellulari, dove piccoli segmenti di segnale sono comuni tra le piattaforme e il front end di ogni caso d'uso è più personalizzato.

Quando passiamo dal digitale all'antenna, abbiamo mappato il progresso delle tecnologie sottostanti per la catena del segnale. Naturalmente, sia segnali digitali che misti vengono generati in processi CMOS sottili. A seconda dei requisiti della stazione base, l'intera catena del segnale può essere sviluppata in CMOS o, più probabilmente, in un mix di tecnologie per fornire prestazioni ottimali per la catena del segnale. Ad esempio, una configurazione comune è quella di utilizzare un convertitore di dati CMOS con conversione SiGe BiCMOS IF ad alte prestazioni in onda millimetrica. Come mostrato, il beamforming può essere ottenuto utilizzando una varietà di tecniche, a seconda dei requisiti di sistema, che discutiamo di seguito. A seconda delle dimensioni dell'antenna selezionate e dei requisiti di potenza di trasmissione, è possibile ottenere un approccio al silicio altamente integrato o una combinazione di beamforming al silicio con PA e LNA discreti.

La relazione tra potenza del trasmettitore richiesta per l'antenna dBm EIRP, dimensione dell'antenna e selezione della tecnologia a semiconduttore

Nel lavoro precedente, viene analizzato il rapporto tra potenza del trasmettitore e selezione della tecnologia, che non verrà completamente ripetuto qui. Tuttavia, per riassumere questa analisi, includiamo un grafico nella Figura 3. La scelta della tecnologia dell'amplificatore di potenza si basa su una considerazione completa della potenza del trasmettitore richiesta, del guadagno dell'antenna (numero di elementi) e della capacità di generazione RF della tecnologia selezionata. L'EIRP richiesto può essere raggiunto con meno elementi di antenna utilizzando la tecnologia II-V (approccio a bassa integrazione) o un approccio ad alta integrazione basato sul silicio sul front-end. Ogni approccio ha i suoi vantaggi e svantaggi, e l'effettiva implementazione dipende dai compromessi ingegneristici in termini di scala, peso, potenza DC e costo. Per generare un EIRP di 60 dBm per i casi derivati dalla Tabella 1, l'analisi condotta dal Dr. Thomas Cameron di ADI nella sua presentazione "Architettura e Tecnologia per 5G Millimeter-wave Radio" alla Conferenza Internazionale del Circuito a Stato Solido 2018 ha concluso che la dimensione ottimale dell'antenna è compresa tra 128 e 256 elementi, quantità inferiori sono raggiunte attraverso amplificatori di potenza GaAs, mentre maggiori quantità possono essere ottenute utilizzando beamforming interamente siliconico basato sulla tecnologia RF IC.

Ora guardiamo questo da un'angolazione diversa. Un EIRP di 60 dBm è un obiettivo comune dell'EIRP per le FWA, ma il valore può essere superiore o inferiore a seconda dell'intervallo previsto della stazione base e dell'ambiente circostante. Poiché gli scenari di implementazione variano notevolmente, sia che, in aree alberate, canyon stradali o ampi spazi aperti, vi sia una notevole quantità di perdita di percorso che deve essere affrontata caso per caso. Ad esempio, in una distribuzione urbana densa che si presume sia LOS, l'obiettivo EIRP può essere di 50 dBm.

Il FCC stabilisce specifiche definite e pubblicate per categoria di dispositivi, nonché limiti di potenza di trasmissione, e qui seguiamo la terminologia 3GPP per le stazioni base. La categoria delle apparecchiature limita più o meno le scelte tecniche per gli amplificatori di potenza.

Tecnologia di adattamento di dimensioni radio a onde millimetriche basata sulla potenza del trasmettitore

Anche se questa non è una scienza esatta, possiamo vedere che i dispositivi mobili utente (telefoni cellulari) sono ben adatti alla tecnologia CMOS, dove la potenza del trasmettitore richiesta può essere raggiunta con un numero relativamente basso di antenne. Questo tipo di radio dovrà essere altamente integrato ed efficiente dal punto di vista energetico per soddisfare le esigenze dei dispositivi portatili. I requisiti per le stazioni base locali (piccole celle) e per i terminali di consumo (fonti di alimentazione portatili) sono simili, che coinvolgono una gamma di tecnologie, dai requisiti di potenza dei trasmettitori CMOS di fascia bassa ai requisiti di potenza SiGe BiCMOS di fascia superiore. La stazione base di fascia media è ben adatta alla tecnologia SiGe BiCMOS e può raggiungere una dimensione complessiva compatta. Nella fascia alta, per una stazione base ad ampia area, è possibile applicare una varietà di tecnologie, a seconda del compromesso tra dimensione dell'antenna e costo tecnologico. Sebbene SiGe BiCMOS possa essere applicato nella gamma EIRP 60 dBm, gli amplificatori di potenza GaA o GaN sono più adatti per una potenza superiore.

Un'istantanea della tecnologia attuale, ma il settore sta facendo grandi passi avanti e la tecnologia continua a migliorare, e migliorare l'efficienza energetica DC degli amplificatori di potenza MMW è una delle principali sfide che i progettisti devono affrontare.

Con l'emergere di nuove tecnologie e architetture PA, la curva della scheda di comunicazione ad onda millimetrica cambierà e fornirà una struttura più integrata per le stazioni base ad alta potenza. Infine, esaminiamo i punti di cui sopra per chiudere la sezione beamforming - non ci sono one-size-fits-all, e una varietà di design front-end potrebbe essere necessaria per affrontare casi d'uso che vanno dalle piccole celle alle macro.