Genom att integrera designen av antenn och elektronik, forskare har ökat energi- och spektrumeffektiviteten för en ny klass millimetervågsändare, möjliggör förbättrad modulering och minskad produktion av spillvärme. Resultatet kan bli längre samtalstid och högre datahastigheter i millimetervåg trådlösa kommunikationsenheter för framtida 5G -applikationer.

Den nya samdesigntekniken möjliggör samtidig optimering av millimetervågsantennerna och elektroniken. Hybridenheterna använder konventionella material och integrerad kretsteknik (IC), vilket innebär att inga förändringar skulle krävas för att tillverka och förpacka dem. Co-design schemat tillåter tillverkning av flera sändare och mottagare på samma IC-chip eller samma paket, möjligen möjliggör multipel-input-multiple-output (MIMO) system samt öka datahastigheter och länka mångfald.

Forskare från Georgia Institute of Technology presenterade sin proof-of-concept antennbaserade outphasing-sändare den 11 juni på Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC) i Philadelphia 2018. Deras andra antennelektronik-samdesignarbete publicerades vid IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2017 och 2018 och flera peer-reviewed IEEE tidskrifter. Intel Corporation och U.S. Army Research Office sponsrade forskningen.

"I detta exempel på exempel vår elektronik och antenn var utformade så att de kan arbeta tillsammans för att uppnå en unik antenn som betonar aktiv belastningsmodulering som väsentligt förbättrar hela sändarens effektivitet, sa Hua Wang, en biträdande professor vid Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering. "Detta system kan ersätta många typer av sändare i trådlösa mobila enheter, basstationer och infrastrukturlänkar i datacenter. "

Nyckeln till den nya designen är att upprätthålla en hög energieffektivitet oavsett om enheten fungerar på topp eller genomsnittlig uteffekt. Effektiviteten hos de flesta konventionella sändare är hög endast vid toppeffekten men sjunker väsentligt vid låga effektnivåer, vilket resulterar i låg effektivitet vid förstärkning av komplexa spektralt effektiva moduleringar. Dessutom, konventionella sändare lägger ofta till utgångar från flera elektroniker med hjälp av förlorande effektkombinationskretsar, förvärra effektivitetsnedbrytningen.

"Vi kombinerar uteffekten genom en dubbelmatad slingantenn, och genom att göra det med vår innovation inom antennen och elektroniken, vi kan förbättra energieffektiviteten avsevärt, "sa Wang, som är Demetrius T. Paris professor vid skolan för el- och datateknik. "Innovationen i denna speciella design är att slå samman antennen och elektroniken för att uppnå den så kallade outphasing-funktionen som dynamiskt modulerar och optimerar utspänningar och strömmar för effekttransistorer, så att millimetervågssändaren håller en hög energieffektivitet både vid topp och genomsnittlig effekt. "

Utöver energieffektivitet, samdesignen underlättar också spektrumeffektivitet genom att tillåta mer komplexa moduleringsprotokoll. Det kommer att möjliggöra överföring av en högre datahastighet inom fastspektrumsallokering som utgör en betydande utmaning för 5G -system.

"Inom samma kanalbandbredd, den föreslagna sändaren kan överföra sex till tio gånger högre datahastighet, "Sa Wang." Integrering av antennen ger oss fler grader av frihet att utforska designinnovation, något som inte kunde göras tidigare. "

Sensen Li, en forskarassistent från Georgia Tech som tog emot Best Student Paper Award vid RFIC -symposiet 2018, sa att innovationen berodde på att sammanföra två discipliner som traditionellt har fungerat var för sig.

"Vi slår samman teknikerna för elektronik och antenner, att föra samman dessa två discipliner för att bryta igenom gränserna, "sa han." Dessa förbättringar kunde inte uppnås genom att arbeta självständigt med dem. Genom att dra nytta av detta nya samdesignkoncept, vi kan ytterligare förbättra prestanda för framtida trådlösa sändare. "

De nya konstruktionerna har implementerats i 45-nanometer CMOS SOI IC-enheter och flip-chip förpackade på högfrekventa laminatskivor, där tester har bekräftat en minsta tvåfaldig ökning av energieffektivitet, Sa Wang.

Antennelektronikens samdesign möjliggörs genom att utforska multi-feed-antennernas unika karaktär.

"En antennstruktur med flera flöden gör att vi kan använda flera elektronik för att driva antennen samtidigt. Till skillnad från konventionella enkelmatningsantenner, flermatningsantenner kan fungera inte bara som strålande element, men de kan också fungera som signalbehandlingsenheter som gränsar mellan flera elektroniska kretsar, "Wang förklarade." Detta öppnar ett helt nytt designparadigm för att få olika elektroniska kretsar att driva antennen kollektivt med olika men optimerade signalförhållanden, uppnå oöverträffad energieffektivitet, spektral effektivitet och omkonfigurerbarhet. "

Den tvärvetenskapliga samdesignen kan också underlätta tillverkning och drift av flera sändare och mottagare på samma chip, så att hundratals eller till och med tusentals element kan arbeta tillsammans som ett helt system. "I massiva MIMO -system, vi måste ha många sändare och mottagare, så blir energieffektiviteten ännu viktigare, "Noterade Wang.

Att ha ett stort antal element som arbetar tillsammans blir mer praktiskt vid millimetervågfrekvenser eftersom våglängdsreduktionen innebär att element kan placeras närmare varandra för att uppnå kompakta system, påpekade han. Dessa faktorer kan bana väg för nya typer av strålformning som är väsentliga i framtida millimetervågs 5G -system.

Strömkrav kan driva på användningen av tekniken för batteridrivna enheter, men Wang säger att tekniken också kan vara användbar för nätdrivna system som basstationer eller trådlösa anslutningar för att ersätta kablar i stora datacenter. I dessa applikationer, att öka datahastigheterna och minska kylbehovet kan göra de nya enheterna attraktiva.

"Högre energieffektivitet innebär också att mindre energi kommer att omvandlas till värme som måste tas bort för att tillfredsställa den termiska hanteringen, "sa han." I stora datacenter, även en liten minskning av termisk belastning per enhet kan öka. Vi hoppas kunna förenkla de termiska kraven för dessa elektroniska enheter. "