Antenni ja elektroniikka yhteistyöhön

Georgia Techin tutkijoiden millimetriaaltojen lähetinpiiri sisältää antennin ja tarvittavan elektroniikan millimetriaaltojen signaalin tuottamiseen ja lähettämiseen. Useita piirisiruja voidaan liittää yhteen muodostamaan suuria antenniryhmiä 5G MIMO -sovelluksille.

Integroimalla antennin ja elektroniikan suunnittelun tutkijat ovat lisänneet millimetriaaltolähettimien energia- ja taajuustehokkuutta, mikä mahdollistaa paremman moduloinnin ja vähentää hukkalämmön syntymistä.

Uusi rinnakkaissuunnittelun tekniikka mahdollistaa millimetriaaltojen antennien ja elektroniikan samanaikaisen optimoinnin. Suunnitellut hybridilaitteet tukeutuvat tavanomaisiin materiaaleihin ja integroitujen piirien tekniikkaan.

Yhtäaikainen suunnittelu mahdollistaa useiden lähettimien ja vastaanottimien valmistamisen samalle IC-piirille tai samaan koteloon, mikä mahdollistaa usean sisääntulon ja usean annon MIMO-järjestelmät sekä lisäävät datanopeuksia ja linkin monimuotoisuutta.

Georgia Institute of Technologyn tutkijoiden tuottamassa toteutusesimerkissä elektroniikka ja antenni ovat suunniteltu siten, että ne voivat toimia yhdessä saavuttaakseen ainutlaatuisen antennissa tapahtuvan antovaiheistuksen (outphasing) kautta aktiivisen kuorman modulaatiokyvyn, joka merkittävästi lisää koko lähettimen tehokkuutta", toteaa Georgia Techin sähkö- ja tietotekniikan apulaisprofessori Hua Wang. "Tämä järjestelmä voisi korvata monenlaisia lähettimiä langattomissa mobiililaitteissa, tukiasemissa ja datakeskuksien infrastruktuurilinkeissä."

"Yhdistämme lähtötehon kaksoissyöttöisen silmukka-antennin kautta ja näin tehden sekä antennin ja elektroniikan innovaatioidemme avulla voimme merkittävästi parantaa energiatehokkuutta", toetaa Wang. "Innovaatio tässä erityisessä suunnittelussa on yhdistää antenni ja elektroniikka niin, että saadaan aikaan ns. outphasing toiminto, joka dynaamisesti moduloi ja optimoi tehontransistorien antojännitteet ja -virrat niin, että millimetriaaltojen lähetin ylläpitää hyvää energiatehokkuutta sekä huipputeholla että keskimääräisellä teholla."

Energiatehokkuuden lisäksi yhteissuunnittelu helpottaa myös spektritehokkuutta mahdollistamalla monimutkaisempia modulaatioprotokollia. Tämä mahdollistaa nopeampien datanopeuksien siirrot kiinteää spektriä jaettaessa, mikä on merkittävä haaste 5G-järjestelmille.

"Saman kanavan kaistanleveyden puitteissa ehdotettu lähetin voi lähettää 6-10 kertaa suuremman datanopeuden", toteaa Wang. "Antennin integrointi antaa meille enemmän vapausastetta tutkia suunnitteluinnovaatioita, jotain, jota ei voitu tehdä ennen."

Uudenlaiset suunnitelmat on toteutettu 45 nanometrin CMOS SOI IC –tekniikalla ja flip-chip-koteloinnilla ja on koottu korkeiden taajuuksien laminaattilevyihin. Näillä rakenteilla tehdyt testit ovat vahvistaneet kaksinkertaisen lisäyksen energiatehokkuuteen.

Antennielektroniikan rinnakkaissuunnittelu on mahdollista tutkimalla monisyöttöantennien erikoista luonnetta, jossa useampi elektroniikka voi ajaa antennia samanaikaisesti. Yhden syötön antenneista eroten ne voivat toimia paitsi säteilevinä elementteinä, mutta ne voivat toimia myös signaalinkäsittelyn yksiköinä, jolla on rajapinta useiden elektronisen piirien kanssa.

Tämä avaa täysin uudenlaisen suunnitteluparadigman, jossa erilaiset elektroniikkapiirit ajavat antennia kollektiivisesti erilaisilla mutta optimoiduilla signaaliolosuhteilla saavuttaen ennennäkemättömän energiatehokkuuden, spektritehokkuuden ja uudelleen konfiguroitavuuden.

Koska suuret määrät elementtejä yhdessä toimien tulevat käytännöllisemmiksi millimetriaaltojen taajuuksilla, koska aallonpituuden pieneneminen tarkoittaa, että elementtejä voidaan sijoittaa lähemmäksi toisiaan kompaktien järjestelmien saavuttamiseksi. Nämä tekijät voivat avata tietä uudentyyppisille säteenmuodostuksille, jotka ovat välttämättömiä tulevissa millimetriaaltojen 5G-järjestelmissä, toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Antennin symmetrian rikkova keksintö