마이크로웨이브 기술 - 밀리미터파의 빔 합성

앞서 밀리미터파 통신판의 배치 장면과 전파 주의사항을 공유했다.오늘날 우리는 아날로그, 디지털 및 혼합의 다양한 빔 형성 방법을 연구 할 것입니다.나는 너희들이 모두 아날로그 빔이 형성하는 개념에 익숙하다고 믿는다.여기에는 디지털 신호를 광대역 베이스밴드 또는 중주파 신호로 변환하고 상하 변환 처리를 수행하는 무선 송수신기를 연결하는 데이터 변환기가 있습니다.rf(예: 28GHz)에서는 단일 rf 경로를 여러 경로로 나누고 각 경로의 위상을 제어하여 빔 작성을 수행하여 대상 사용자 방향의 원거리에서 빔을 형성합니다.이것은 모든 데이터 경로가 단일 빔을 유도할 수 있기 때문에 이론적으로 우리는 이 구조를 사용하여 한 번에 한 사용자에게 서비스를 제공할 수 있다.

디지털 빔 성형은 바로 그것이 말한 것이다.위상 이동은 디지털 회로에서 완전히 수행되며 트랜시버 어레이를 통해 안테나 어레이로 전달됩니다.간단히 말해서, 각 트랜시버는 하나의 안테나 소자에 연결되지만, 실제로 필요한 섹터의 모양에 따라 각 무선 장치는 여러 개의 안테나 소자를 가질 수 있습니다.이 디지털 접근 방식은 if 시스템과 유사한 밀리미터파 주파수에서 다중 사용자 MIMO 개발 계획을 지원하는 최대 용량과 유연성을 제공합니다.현재 사용 가능한 기술을 고려할 때, 이것은 매우 복잡하며, 무선 회로나 디지털 회로에서 너무 많은 직류 전기를 소비합니다.그러나 미래 기술의 발전에 따라 밀리미터파 무선전신은 디지털 빔 합성을 실현할 것이다.

최근에 가장 실용적이고 효과적인 빔 형성 방법은 혼합 디지털 모드 빔 형성으로, 본질적으로 디지털 프리코딩과 아날로그 빔 형성을 결합하여 단일 공간에서 동시에 여러 빔 (공간 재사용) 을 생성한다.전력을 좁은 빔을 가진 대상 사용자로 유도함으로써 기지국은 동일한 스펙트럼을 재사용할 수 있으며, 동시에 타이밍 갭에서 여러 사용자에게 서비스를 제공할 수 있다.비록 문헌에서 몇 가지 다른 혼합 빔 형성 방법을 보도했지만, 여기에 나타난 하위 배열 방법은 가장 실용적인 실현 방식이며, 본질적으로 빔 형성의 절차와 중복을 모의한다.현재 보고된 시스템은 2~8개의 디지털 스트림을 지원하며 단일 사용자를 동시에 지원하거나 적은 수의 사용자에게 두 개 이상의 MIMO를 제공할 수 있습니다.

아날로그 빔 성형의 기술 옵션, 즉 혼합 빔 성형의 구축 블록을 자세히 살펴보자.여기서 우리는 아날로그 빔 형성 시스템을 세 개의 모듈로 나누어 처리한다: 디지털, 비트에서 밀리미터파, 빔 형성.이것은 사람들이 손실을 줄이기 위해 모든 밀리미터파 구성 요소를 근처에 두기 때문에 진정한 시스템 구분 방식이 아닙니다. 그러나 이러한 구분의 원인은 곧 명백해집니다.

각종 빔 합성 방법

빔 형성 능력은 세그먼트 모양과 거리, 전력 수준, 경로 손실, 열 한계 등을 포함한 몇 가지 요소에 의해 구동되며, 밀리미터파 시스템의 세그먼트로서 업계의 학습과 성숙에 따라 일정한 유연성이 필요하다.그럼에도 불구하고 작은 셀룰러에서 매크로에 이르기까지 다양한 배포 시나리오에 대처하기 위해 다양한 전송 전력 수준이 필요합니다.다른 한편으로 기지국에 사용되는 비트-밀리미터파 무선전신은 유연성이 훨씬 낮으며 현재의 Release 15 규범에서 크게 유래할 수 있다.즉, 설계자는 여러 개의 빔 성형 구성을 결합하여 동일한 무선을 재사용할 수 있습니다.이것은 현재의 셀룰러 무선 시스템과 다르지 않다. 현재의 셀룰러 무선 시스템에서 작은 신호 세그먼트는 각 플랫폼에서 흔히 볼 수 있으며 각 용례의 앞부분이 더욱 맞춤형이다.

디지털에서 안테나로 전환할 때 우리는 이미 신호사슬의 밑바닥 기술의 진전도를 그렸다.물론 디지털 신호와 혼합 신호는 모두 가는 선 CMOS 공정에서 발생한다.기지국의 요구에 따라 전체 신호 체인은 CMOS 또는 가능한 기술 조합으로 개발 될 수 있으며 신호 체인이 최적의 성능을 제공 할 수 있습니다.예를 들어, 고성능 SiGe-BiCMOS IF에서 밀리미터파 변환이 가능한 CMOS 데이터 변환기를 사용하는 것이 일반적인 구성입니다.그림에서 볼 수 있듯이 시스템 요구에 따라 다양한 기술을 사용하여 빔 성형을 실현할 수 있습니다. 우리는 아래에서 이러한 기술을 토론할 것입니다.선택된 안테나 크기 및 송신 전력 요구 사항에 따라 고도로 통합된 실리콘 방법 또는 실리콘 빔이 분리된 PA 및 LNA와 조합될 수 있습니다.

dBm EIRP 안테나에 필요한 송신기 전력, 안테나 크기 및 반도체 기술 선택 간의 관계

이전 작업에서는 송신기 출력과 기술 선택 사이의 관계를 분석하여 더 이상 설명하지 않습니다.그러나이 분석을 요약하기 위해 그림 3에는 차트가 포함되어 있습니다.전력 증폭기 기술의 선택은 필요한 송신기 전력, 안테나 이득(소자 수) 및 선택한 기술의 RF 생성 능력을 종합적으로 고려한 것이다.전면에서 II-V 기술(낮은 통합 방법) 또는 실리콘 기반 높은 통합 방법을 사용하면 더 적은 안테나 컴포넌트로 필요한 EIRP를 구현할 수 있습니다.각 방법에는 규모, 무게, DC 전력 및 비용 측면에서 엔지니어링 저울질에 따라 실제 구현이 결정되는 장단점이 있습니다.표 1에서 유도된 60dBm의 EIRP를 생성하기 위해 ADI의 토마스 카메론 박사가 2018년 국제고체회로회의 강연'5G 밀리미터파 무선의 구조와 기술'에서 분석한 결과 최적 안테나 크기는 128~256개 소자 사이였다. GaAs 전력 증폭기를 통해 낮은 수량을 구현할 수 있고,RF IC 기술을 기반으로 한 전체 실리콘 빔 성형을 사용하면 더 많은 수를 달성 할 수 있습니다.

이제 다른 관점에서 이 문제를 살펴보겠습니다.60dBm EIRP는 FWA의 일반적인 EIRP 목표물이지만 기지국과 주변 환경의 예상 범위에 따라 더 높거나 낮을 수 있습니다.배치 장면의 차이가 매우 크기 때문에, 녹음이 우거진 지역, 거리 협곡, 넓은 공터에서 모두 대량의 경로 손실이 존재하기 때문에, 구체적인 상황에 따라 해결해야 한다.예를 들어, LOS로 가정한 밀집 도시 배치에서 EIRP 목표는 50dBm로 낮을 수 있습니다.

FCC는 장치 범주 및 전송 전력 제한에 따라 정의 및 게시 사양을 설정합니다. 여기서 우리는 3GPP 기지국 용어를 따릅니다.장치의 종류는 많든 적든 전력 증폭기의 기술 선택을 제한한다.

송신 전력 기반의 각종 밀리미터파 무선 사이즈 적응 기술

정확한 과학은 아니지만 모바일 사용자 장치 (휴대폰) 가 CMOS 기술에 매우 적합하며 CMOS 기술에서 상대적으로 낮은 수의 안테나로 필요한 송신기 출력을 구현 할 수 있음을 알 수 있습니다.이 유형의 무선은 휴대용 장치의 요구를 충족시키기 위해 고도의 통합과 에너지 절약을 필요로 할 것이다.로컬 기지국 (소형 단지) 과 소비자 단말기 (휴대용 전원) 의 요구사항은 유사하며, 저가형 CMOS 송신기 전력 요구사항부터 고급형 SiGe-BiCMOS에 이르는 일련의 기술을 포함한다.미드레인지 기지국은 SiGe BiCMOS 기술에 적합하며 컴팩트한 전체 크기를 구현할 수 있습니다.하이엔드에서 광역 기지국의 경우 안테나 크기와 기술 비용 간의 균형에 따라 다양한 기술을 적용할 수 있습니다.SiGe-BiCMOS는 60dBm EIRP 범위에서 사용할 수 있지만 GaAs 또는 GaN 전력 증폭기는 더 높은 전력에 더 적합합니다.

현재 기술의 스냅샷이지만, 이 업계는 장족의 진보를 이룩하고 있으며, 기술은 끊임없이 개선되고 있으며, 밀리미터파 전력 증폭기의 직류 전력 효율을 높이는 것은 설계자가 직면한 주요 도전 중의 하나이다.

새로운 기술과 PA 아키텍처가 등장함에 따라 밀리미터파 통신판 곡선이 변화하고 고출력 기지국에 더욱 통합된 구조를 제공할 것이다.마지막으로, 위의 몇 가지를 살펴보고 빔의 성형 부분을 요약합시다. 획일적인 방법은 없습니다. 작은 단위에서 매크로에 이르는 다양한 프런트엔드 설계가 필요할 수 있습니다.