Green Flexible RF dla 5G

Wprowadzenie

To, jak b�dzie wygl�da� telefon 5G, jest wysoce dyskusyjne, podobnie jak to, czy b�dzie nazywane telefonem, czy tylko urz�dzeniem mobilnym, a nawet czym� zupe�nie innym! Termin ten niew�tpliwie zostanie wymy�lony przez marketer�w zgodnie z tym, co w nadchodz�cych latach zostanie uznane za modne. Jednak oczywiste jest, �e dzisiejsze telefony s� czym� wi�cej ni� tylko telefonami, ale coraz bardziej ewoluuj� w kierunku inteligentnego mikro-systemu spo�ecznego, kt�ry ma ogromny wp�yw na nasze codzienne �ycie. Zej�cie z tej drogi wyra�nie stawi rygorystyczne wymagania projektowe dla telefon�w dla przysz�ych scenariuszy 5G. U�ytkownik ko�cowy b�dzie wyra�nie wymaga� wszechobecnego dost�pu w dowolnym momencie, w dowolnym miejscu i na dowolnym urz�dzeniu. Je�li kt�rykolwiek z tych aksjomat�w nie zostanie spe�niony, wp�ynie to na jakiekolwiek przysz�e us�ugi 5G. Przypomnia�oby to czasy 3G, kt�rych popularno�� na rynku znacznie zmniejszy�a si� z powodu braku zab�jczej aplikacji. W tym kontek�cie, co kryje si� za wizj� transceivera 5G? C�, jasne jest, �e przysz�e urz�dzenia nadawczo-odbiorcze musz� by� radiem wielostanowiskowym, wspieranym przez identyczne nadajniki-odbiorniki cz�stotliwo�ci radiowych (RF) w infrastrukturze i na terminalu u�ytkownika, wykorzystuj�c paradygmaty technologiczne, takie jak rekonfigurowalno�� i radio zdefiniowane przez oprogramowanie. Proponowana architektura b�dzie mia�a charakter nie tylko wielomodowy, ale b�dzie potrzebowa� tylko kilku zewn�trznych komponent�w, co doprowadzi do zmniejszenia zu�ycia energii i mocy. Z biznesowego punktu widzenia ma to sens, poniewa� umo�liwi wprowadzenie na rynek urz�dze� nadawczo-odbiorczych 5G po bardzo niskich kosztach. Jednak nie chodzi tylko o to, jak tani producenci mog� produkowa� urz�dzenia, ale tak�e o to, ile mog� sprzeda�. Na dzisiejszym rynku czas czuwania telefonu i �ywotno�� baterii s� postrzegane jako kluczowe punkty sprzeda�y wp�ywaj�ce na decyzje u�ytkownik�w o zainwestowaniu ich ci�ko zarobionych oszcz�dno�ci w nowy inteligentny telefon. W przysz�o�ci oczywiste jest, �e aplikacje stan� si� potencjalnie bardziej wymagaj�ce, a telefony bardziej g�odne prowadz�ce do gor�cych urz�dze� o skr�conej �ywotno�ci baterii wp�ywaj�cych na ewentualne wprowadzenie na rynek nowych tak zwanych "5G i-phone". Je�li nie podejmiemy �adnych �rodk�w zapobiegawczych maj�cych na celu zmniejszenie zu�ycia energii w telefonach 5G, u�ytkownicy b�d� przywi�zani do najbli�szego dost�pnego gniazda zasilania, co wydaje si� by� do�� surow� ironi�, je�li wzi�� pod uwag� nieograniczon� swobod� ruch�w, kt�r� oferuje 5G . W tym rozdziale opisujemy kluczowe komponenty, trendy i wyzwania, a tak�e wymagania systemowe dla nadajnik�w-odbiornik�w 5G do obs�ugi wielostandardowej elastyczno�ci radia zar�wno na stacji bazowej, jak i na terminalu u�ytkownika, jednocze�nie b�d�c energooszcz�dnymi w �wiecie �wiadomym energii. .

Projekt systemu radiowego

Powszechnie przyjmuje si�, �e kluczowe wymagania projektowe dla przysz�ych urz�dze� ko�cowych opieraj� si� na projektach energooszcz�dnych, kt�re mog� obs�u�y� wiele technologii dost�pu radiowego, gdy migrujemy w kierunku przysz�ego placu zabaw technologii, kt�ry przewiduje konwergentn� platform� sieciow� sieci sta�ych i bezprzewodowych. Innymi s�owy, potrzebujemy architektury nadajnika-odbiornika, kt�ra ma doskona�e w�a�ciwo�ci oszcz�dzania energii i strojonego radiotelefonu RF, kt�ry mo�e pokry� wszystkie wymagane pasma i szeroko�ci pasma, spe�niaj�c wszystkie specyfikacje. Wymaga to jednorodnej lub heterogenicznej integracji kompletnego zestawu nowych dostrajalnych architektur i technologii (cewki indukcyjne o wysokiej Q, regulowane kondensatory MEMS (system mikroelektromechaniczny), prze��czniki i rezonatory MEMS lub regulowane BAW / SAW (Bulk Acoustic Wave / Surface Acoustic Wave) ) filtry i procesy zintegrowanych urz�dze� pasywnych) z istniej�cymi technologiami CMOS Bipolar (Bi). Kluczowe podsystemy RF w przysz�ym transceiverze 5G RF b�d� zawiera�y rygorystyczne specyfikacje dla nast�puj�cych komponent�w i podsystem�w: anteny, dostrajalne filtry i wzmacniacze mocy RF oraz MIMO (Multiple-Input Multiple-Output). Poni�sze sekcje dotycz� powi�zanych prac i ich zastosowania w stosunku do 5G.

Projekt anteny dla 5G

Starsze anteny nie mog� by� skutecznie i wydajnie wykorzystywane w przysz�ych systemach 5G. Systemy antenowe s� �ci�le powi�zane z architektoniczn� realizacj� frontowego RF. Otwarte p�tle i ostatnio dost�pne przestrajalne systemy z zamkni�t� p�tl� s� dzisiaj najnowocze�niejsze. Jak dot�d, dostrajalne systemy s� dost�pne tylko dla niekt�rych typ�w anten i nadal s� do�� du�e i kosztowne. W systemach 5G celem jest dostarczenie rozwi�za� i opracowanie system�w anten sterowanych i wielopasmowych, kt�re sprostaj� wyzwaniom dla przysz�ych terminali i infrastruktur wielopasmowych / wielomodowych.

Anteny do rekonfiguracji promieniowania

W ostatnim rozwoju komunikacji bezprzewodowej, anteny mog� wymaga� r�nych wzorc�w promieniowania. Po��czenie kilku pojedynczych element�w anteny w tablicy mo�e by� wykonalnym sposobem spe�nienia tego wymagania. Wzory promieniowania tablicy mo�na zmieni�, modyfikuj�c "wsp�czynnik macierzy". Jednak w uk�adzie antenowym wzajemne oddzia�ywanie mi�dzy elementami anteny mo�e ogranicza� wydajno�� r�norodno�ci wzor�w. Chocia� odst�p element�w mo�e by� zwi�kszony, aby zmniejszy� sprz�enie, mo�e to umo�liwi� wyst�pienie niepo��danych p�at�w siatki i mo�e przekroczy� praktyczne ograniczenia rozmiaru otworu, powoduj�c nieprzydatno�� w niekt�rych zastosowaniach. Jednym z mo�liwych sposob�w przezwyci�enia tego ograniczenia jest u�ycie rekonfigurowalnej anteny, uzyskuj�c wzrost wydajno�ci dzi�ki zastosowaniu anten rekonfigurowalnych. Tutaj przedstawiamy nowy wz�r - rekonfigurowalna planarno-ko�owa antena mikropaskowa umo�liwiaj�ca przekierowanie po�o�enia wi�zki g��wnej za pomoc� idealnych prze��cznik�w (metalowych). Badania projektowe zako�czy�y si� miniaturyzacj� konwencjonalnej okr�g�ej anteny krosowej, kt�ra dostraja wz�r promieniowania zgodnie z trzema kombinacjami prze��cznik�w, kt�re mog� prze��cza� wi�zk� g��wn� w promieniowanie tr�jkierunkowe o pojedynczej cz�stotliwo�ci 60 GHz. Charakterystyki wi�zki anteny, szczytowe wzmocnienia i pasma impedancji s� zaprojektowane do pracy w odpowiednich aplikacjach 5G. Anteny rekonfigurowalne s� bardzo atrakcyjne, poniewa� mog� oferowa� wiele cech, kt�re prowadz� do poprawy stosunku sygna�u do szumu (SNR), a tak�e wy�sz� jako�� obs�ugi ca�ego systemu. Wraz z szybkim przyj�ciem 5G, wi�cej urz�dze� wykorzystuje wiele anten, aby zwi�kszy� szybko�� transmisji danych i niezawodno�� cza komunikacyjnego. Jednak kana� systemu bezprzewodowego rzadko pozostaje stacjonarny, a to wymaga, aby anteny dostosowywa�y swoje wzorce do �rodowiska w czasie rzeczywistym, aby poprawi� chwilowy SNR i szybko�� transmisji danych. Mo�na to osi�gn�� za pomoc� anten rekonfigurowalnych. Tradycyjnie u�ywane by�y anteny stacjonarne, ale w ostatnich latach poszukiwano anten rekonfigurowalnych, kt�re mog� jeszcze bardziej zwi�kszy� wydajno��, dostosowuj�c si� do zmieniaj�cych si� kana��w bezprzewodowych, zmieniaj�c ich charakterystyki promieniowania i utrzymuj�c lub przekraczaj�c wydajno�� anten stacjonarnych. Podobnie jak tradycyjny uk�ad antenowy, w kt�rym sterowanie wi�zk� jest uzyskiwane za pomoc� rekonfigurowalnych przesuwnik�w fazowych, ten typ anteny wykorzystuje przestrajalne elementy elektroniczne do zmiany charakterystyki promieniowania anteny w dalekim polu. Umo�liwia to zdaln� rekonfiguracj� wzorca anteny szybko. Antena rekonfigurowalna wed�ug wzorca, kt�ra mo�e zmienia� wzorzec promieniowania poprzez regulacj� apertury przy zachowaniu cz�stotliwo�ci roboczej, mo�e poprawi� og�ln� wydajno�� systemu. Manipulowanie wzorcem promieniowania anteny mo�e by� wykorzystane do unikni�cia �r�de� ha�asu lub zak��ce� elektronicznych, poprawy bezpiecze�stwa i oszcz�dno�ci energii dzi�ki lepszemu kierowaniu sygna�u do zamierzonych u�ytkownik�w. Przewiduje si�, �e ewoluuj�ce sieci bezprzewodowe 5G zostan� przezwyci�one podstawowe ograniczenia istniej�cych sieci kom�rkowych, na przyk�ad, zapewniaj�ce wy�sze szybko�ci przesy�ania danych, doskona�� wydajno�� ko�cow� i zasi�g u�ytkownik�w w punktach zapalnych i zat�oczonych obszarach z mniejszym op�nieniem, zu�yciem energii i kosztem transferu danych, wi�c jest du�e zapotrzebowanie na anteny rekonfigurowalne w dziedzinie komunikacji bezprzewodowej, ��czno�ci satelitarnej, radaru, 5G itd. i chocia� badania nad antenami rekonfigurowalnymi rozpocz�y si� dopiero w ostatnich latach, wzbudzi�y one du�e zainteresowanie. Rysunek

przedstawia schemat ideowy proponowanej anteny. Pokazany tutaj kana� jest centraln� wsp�osiow� sond�, z pozycj� z��cza koncentrycznego zoptymalizowan� do najlepszej lokalizacji na patchu. Antena jest wykonana na pod�o�u Rogers RT5870 o grubo�ci 0,504 mm z wzgl�dn� przenikalno�ci� ε_r = 2,3 i styczn� stratno�ci 0,0012 na obszarze 5,4 � 5,4 mm². Pier�cieniowa szczelina ma zewn�trzny promie� R₁ = 1,85 mm, a wewn�trzny promie� R₂ = 0,91 mm. Korzystaj�c z optymalizatora oprogramowania CST (Computer Simulation Technology) i po badaniu parametrycznym (przemiatanie parametr�w), wymiary tej anteny s� zoptymalizowane do pracy z cz�stotliwo�ci� rezonansow� 60 GHz, z rekonfigurowalnym wzorcem promieniowania. Zbadano wydajno�� proponowanej anteny pod wzgl�dem strat powrotu, wzorc�w promieniowania i zysk�w, przy r�nych stanach prze��cznik�w. G��wn� trudno�ci� w projektowaniu anteny z rekonfiguracj� promieniowania jest ten typ rekonfigurowalno�ci nale�y wykona� bez znacz�cych zmian w impedancji lub charakterystykach cz�stotliwo�ci. Uzyskane wyniki pokonuj� t� trudno��, sprawiaj�c, �e cz�stotliwo�ci rezonansowe s� bardzo podobne dla wszystkich stan�w prze��czania. Rysunki poni�sze

przedstawiaj� symulowane wzorce promieniowania przy 60 GHz na p�aszczy�nie yz (p�aszczyzna E). Gdy proponowana antena dzia�a w stanie (D1 ON, D2 OFF), maksymalny kierunek wi�zki w p�aszczy�nie yz wynosi 350. W stanie (D1 OFF, D2 ON) maksymalny kierunek wi�zki w p�aszczy�nie yz wynosi - 350. W stanie (D1 ON, D2 ON) maksymalny kierunek wi�zki w yzplane w (350, -350). Zgodnie z powy�szymi wynikami, wzorce promieniowania proponowanej anteny dzia�aj�cej w r�nych stanach prze��czania mo�na przesun�� o 700 wzd�u� p�aszczyzny yz (p�aszczyzna E). Podsumowuj�c, uzyskane wyniki pokazuj�, �e zaprojektowana antena mo�e przekierowa� wi�zk� g��wn� o -350 i 350 w p�aszczy�nie azymutu z maksymalnymi osi�gni�tymi wzmocnieniami 4 dB i 3 dB przy szeroko�ciach impedancji oko�o 3,3% przy cz�stotliwo�ci rezonansowej 60 GHz. Charakterystyki wi�zki, szczytowe wzmocnienia i pasma impedancji s� odpowiednie dla aplikacji 5G. Ponadto, ze wzgl�du na prost� konstrukcj� i r�norodno�� wzor�w wi�zek, zaprojektowana antena mo�e znale�� r�ne zastosowania w systemach MIMO

Antena z mo�liwo�ci� rekonfiguracji cz�stotliwo�ci

Rekonfiguracja cz�stotliwo�ci sta�a si� wa�na dla wielu nowoczesnych system�w komunikacyjnych, zw�aszcza dla przysz�ych system�w komunikacji bezprzewodowej. Dostrajane lub rekonfigurowalne anteny o wysokiej wydajno�ci i kompaktowych rozmiarach przyci�gaj� wi�cej uwagi. W zwi�zku z tym nast�pi� znacz�cy post�p w adaptowalnej technologii antenowej. Stosunkowo w�skopasmowe anteny o regulowanych lub prze��czalnych w�a�ciwo�ciach s� najlepszym rozwi�zaniem, gdy wa�na jest wielko�� i wydajno��, a anteny rekonfigurowalne cz�stotliwo�ciowo s� cz�sto realizowane przy u�yciu RF MEMS, CMOS lub diod PIN [11-14]. Skupiamy si� teraz na antenach rekonfigurowalnych cz�stotliwo�ciowo, rekonfigurowalnych antenach krosowych z wieloma gniazdami rozmieszczonymi w obr�bie �aty i ziemi, aby uzyska� dost�p do pasm aplikacji 5G. Prze��czniki s�u�� do zmiany efektywnej d�ugo�ci elektrycznej anten, osi�gaj�c cz�stotliwo�ci w zakresie od 40 do 80 GHz. Poni�ej przedstawiamy, w jaki spos�b oprogramowanie do symulacji studia CST zosta�o wykorzystane do optymalizacji, zaprojektowania i symulacji struktury anteny, a dzi�ki zastosowaniu mechanizm�w prze��czaj�cych, rekonfigurowalna antena mo�e zosta� strukturalnie przekonfigurowana w celu utrzymania jej element�w w pobli�u wymiar�w rezonansowych dla kilku pasm cz�stotliwo�ci. Zwi�ksza to dramatycznie przepustowo�� anteny, co pozwala na wykorzystanie jednej anteny do kilku aplikacji, takich jak sie� bezprzewodowa, radar i 5G. Schemat ideowy proponowanej rekonfigurowalnej anteny sk�ada si� z �aty z wieloma gniazdami z pojedyncz� mikropaskow� sieci� podawania, dwoma prze��cznikami po jednej stronie pod�o�a i p�aszczyzn� uziemienia z dwoma szczelinami po drugiej stronie pod�o�a. Antena jest wytwarzana na pod�o�u Rogers RT o grubo�ci 0,508 mm i wzgl�dnej przenikalno�ci ε_r = 2,3 i powierzchni 5 � 4,5 mm². Wymiary tej anteny s� zoptymalizowane do pracy w zakresie od 45 do 75 GHz dla aplikacji 5G. Ci�cie szczeliny lub szczelin lub zmiana d�ugo�ci �aty mo�e tworzy� nowe rozk�ady �cie�ki pr�du, poprawiaj�c tym samym dopasowanie impedancji anteny, aby umo�liwi� dzia�anie w r�nych pasmach cz�stotliwo�ci. Poniewa� impedancja wej�ciowa anteny krosowej r�ni si� od impedancji linii mikropaskowej zasilaj�cej, niedopasowanie spowoduje pewn� ilo�� fal odbitych w porcie wej�ciowym. Dzi�ki dodatkowym technikom dopasowywania, na przyk�ad stosuj�c symetryczne podawanie lub u�ycie zasilacza wpuszczanego lub transformatora o d�ugo�ci fali �wier�falowej, mo�na by�o zmniejszy� niedopasowanie i poprawi� wsp�czynnik odbicia S11. Aby zminimalizowa� wsp�czynnik odbicia, osi�gn�� po��dane dopasowanie i dok�adniej ustawi� cz�stotliwo�� rodkow�, konieczne jest poprawienie dopasowania impedancji anteny. Takie dopasowanie jest bardzo wa�nym aspektem projektowania obwodu RF. Studio mikrofalowe CST ma wbudowany optymalizator parametryczny, kt�ry mo�e pom�c w znalezieniu odpowiednich wymiar�w dla pasuj�cej sieci i znalezieniu odpowiednich pozycji dla kana�u linii transmisyjnej na kraw�dzi �aty. U�ycie dw�ch diod zapewnia cztery mo�liwe i u�yteczne stany prze��czania, czyli stany ON-OFF, OFFON, OFF-OFF i ON-ON oraz pozwala na dostrojenie anteny w zakresie od 45 do 75 GHz. Przeprowadzono testy symulacyjne przy u�yciu CST na szeroko�ci pasma impedancji (dla S11 <-10 dB) anteny w r�nych stanach. Nale�y zauwa�y�, �e istniej� podobne podobie�stwa takich zmian wzd�u� osi Z. Z drugiej strony mo�na uzyska� szerok� szeroko�� wi�zki p�okresowej oko�o � 60o. Ta kompaktowa, wielopasmowa, rekonfigurowalna antena z gniazdami na patchu i ziemi mo�e by� zaproponowana jako dobry kandydat na przysz�e anteny 5G. Zastosowano dwa prze��czniki, aby zapewni� pi�� r�nych pasm cz�stotliwo�ci w zakresie 45-75 GHz o dobrych szeroko�ciach impedancji. Mo�e r�wnie� mie� potencjalne zastosowanie w bezprzewodowych

Tablica antenowa z wykorzystaniem falowodu Integracja falowodu (SIW)

Anteny jednocz�ciowe przedstawione w poprzednich cz�ciach maj� szerokie wzorce promieniowania i nisk� kierunkowo��, co czyni je w du�ej mierze nieskuteczne dla terminali wielopasmowych / wielomodowych. Wysoka kierunkowo�� za pomoc� jednoelementowych anten mo�e by� osi�gni�ta jedynie dzi�ki zwi�kszonemu elektrycznemu lub fizycznemu rozmiarowi pojedynczego elementu lub po��czeniu wi�cej ni� jednego pojedynczego elementu, kt�rego fizyczne wymiary nie zosta�y zmienione. Po��czenie wi�cej ni� jednego pojedynczego elementu w celu utworzenia nowej anteny nazywane jest tablic�. Typ i liczba element�w w tablicy, ich geometria i spos�b wzbudzania element�w obejmuj� kilka parametr�w, kt�re okre�laj�, w jaki spos�b mo�na wykona� dyrektywowe anteny tablicowe. Pojawi�y si� propozycje technik, dzi�ki kt�rym parametry mo�na zoptymalizowa�, aby uzyska� wysoce kierunkowe anteny z wysokowydajnymi mo�liwo�ciami wi�zki w czasie rzeczywistym. W tym podrozdziale skupiamy si� na przedstawieniu ostatnich bada� nad zastosowaniem technologii falowodu (SIW) Substrate Integration w projektowaniu uk�adu antenowego dla obwod�w pasywnych czo�owych 5G. W szczeg�lno�ci aplikacja odnosi si� do pasma ISM 60 GHz. Ze wzgl�du na wysok� absorpcj� tlenu pasmo to nadaje si� do sieci ponownego wykorzystania cz�stotliwo�ci, zapewniaj�c szybk� i bezpieczn� komunikacj�. SIW sk�ada si� z dw�ch metalowych p�aszczyzn pod�o�a na g�rze i na dole struktury, z pod�o�em dielektrycznym mi�dzy tymi p�aszczyznami. .Metalowa matryca jest umieszczona mi�dzy dwiema p�aszczyznami. Struktury te maj� nast�puj�ce cechy: niskie straty promieniowania, wysok� moc, niskie koszty wytwarzania i integracj� o wysokiej g�sto�ci, kt�re razem tworz� technologi� atrakcyjn� dla aplikacji 5G. Pod�o�e dielektryczne przyj�te w tej pracy to Rogers RT / duroid 5880, z ε_r = 2,2, tanδ = 0,0009 i grubo�ci� dielektryczn� h = 0,508 mm. Szeroko�� prostok�tnego falowodu (WR-15) wynosi α = 3,759 mm dla pasma cz�stotliwo�ci 60 GHz. Elementem promieniuj�cym proponowanego pasywnego ko�ca jest uk�ad anten antenowych szczelinowych 8x8 SIW, zaprojektowany zgodnie z analiz�. Istotne jest, aby anteny dzia�aj�ce w tym pa�mie mia�y wi�zk� o��wkow� o szeroko�ci wi�zki od po�owy mocy do 8o. Model anteny obejmuje r�wnie� sie� zasilaj�c� wymagan� do podzielenia sygna�u wej�ciowego na osiem sygna��w w fazie o r�wnej amplitudzie. D�ugo�� szczeliny (SL), rozstaw szczelin (SS), szczelina do g�ry (ST), przesuni�cie szczeliny (SO) i szeroko�� szczeliny (SW) musz� by� obliczone bardzo precyzyjnie , aby unikn�� niepo��danego endto - zako�czy� wzajemne sprz�enie mi�dzy s�siaduj�cymi szczelinami w po��danej szeroko�ci pasma. strat� zwrotn� S11. Zmienia si� poni�ej -10 dB w zakresie mi�dzy 58,6 GHz a 63 GHz, pokrywaj�c pasma przepustowe ca�kowitego pasma, dla kt�rych ta antena jest odpowiednia w projekcie front-end, co zostanie wykazane w nast�pna sekcja. Szeroko�� wi�zki po�owy mocy wynosi odpowiednio 15.50o i 10.70o w p�aszczyznach azymutu i elewacji, podczas gdy wzmocnienie wynosi 21,64 dB. Poziomy p�at�w bocznych zmieniaj� si� poni�ej -15 dB dla p�aszczyzn azymutu i elewacji.

Pasywny projekt front-end Korzystanie z SIW dla aplikacji 5G

Projekt i symulacja frontu RF, w tym dipleksera filtra i anteny o cz�stotliwo�ci 60 GHz, w oparciu o technologi� SIW (Substrate Integrated Waveguide), pokazano na rysunku

Projekt, symulacja i optymalizacja dla wszystkich element�w front endu zosta�y wykonane przy u�yciu Ansoft HFSS v.14. Modelowanie filtr�w oparte jest na analizie pasmowoprzepustowej IRIS falowodu n-tego rz�du sugerowanej w odno�niku (li, di; gdzie li jest d�ugo�ci� wn�ki falowodu, a di jest szeroko�ci� przys�ony IRIS). .R�wnowa�ny obw�d IRIS, kt�ry jest umieszczony r�wnolegle do pola elektrycznego, jest cewk� bocznikow� i dokonano odpowiednich regulacji dla struktury SIW. D�ugo�� fali SIW (&pambda;gsiw) mo�na wyrazi� w nast�puj�cy spos�b:

Zaprojektowano dwa 5-rz�dowe filtry pasmowe Czebyszewa z cz�stotliwo�ciami �rodkowymi odpowiednio 59,8 GHz (59,3 do 60,3 GHz) i 62,2 GHz (61,7 do 62,7 GHz). Wyniki symulacji wykaza�y, �e dla filtru kana�u transmisyjnego z cz�stotliwo�ci� �rodkow� na poziomie 62,2 GHz zapewniaj�cym pasmo 1 GHz, t�umienie wtr�ceniowe wynosi�o 1,5 dB, podczas gdy strata powrotna zmienia�a si� poni�ej 20 dB w pa�mie przepustowym. Odrzucenie filtra przy cz�stotliwo�ci �rodkowej kana�u odbiorczego (59,8 GHz) wynosi�o 90 dB. Dla filtru kana�u odbiorczego, cz�stotliwo�� rodkowa 59,8 GHz, szeroko�� pasma wynosi�a r�wnie� 1 GHz. Ubytek wtr�ceniowy wynosi� oko�o 2 dB, podczas gdy strata powrotna zmienia�a si� poni�ej 20 dB w pa�mie przepustowym. Odrzucenie filtra przy cz�stotliwo�ci �rodkowej filtra kana�u odbiorczego (62,2 GHz) wynosi�o 66 dB. Z��cze SIW T zosta�o zaprojektowane w celu zintegrowania filtr�w kana�owych w diplekserze, jak pokazano na rysunku, aby zapewni� minimalne sprz�enie mi�dzy nimi i rozdzieli� fale elektromagnetyczne w r�wnej amplitudzie i fazie. Odpowiednia konstrukcja przej�cia SIW do mikropaskowej umo�liwia propagacj� trybu TE10 do struktury SIW.

Wzmacniacze mocy RF

Wymagania dotycz�ce zasilania przewidziane dla terminala u�ytkownika 5G i dla infrastruktury wynios�yby odpowiednio oko�o 1 W i 200 W. Technika modulacji dla przysz�ych powstaj�cych technologii opiera si� na OFDM . Ta technika modulacji na wielu no�nikach mo�e zapewni� du�� szybko�� transmisji danych i znacz�co zwalczy� zak��cenia wielo�cie�kowe, kt�re w przeciwnym razie doprowadzi�yby do degradacji sygna�u. Jednak ta technika modulacji, w przeciwie�stwie do starszych technik modulacji 2G, ma wysoki wsp�czynnik szczytu wymagaj�cy liniowego wzmocnienia mocy w du�ym zakresie dynamicznym. Gdyby pr�bowano zastosowa� istniej�ce techniki wzmacniacza mocy, skutkowa�oby to nisk� wydajno�ci� i moc� wyj�ciow�. W typowych terminalach mobilnych dla system�w kom�rkowych do po�owy zu�ycia energii odnosi si� do funkcji zwi�zanych z komunikacj�, takich jak przetwarzanie pasma podstawowego, RF i funkcje ��czno�ci . Dlatego ka�de zmniejszenie poboru mocy przez urz�dzenie wzmacniacza mocy mia�oby istotny wp�yw na �lad w�glowy i wyd�u�y�oby �ywotno�� baterii. Najnowocze�niejsze techniki projektowania energooszcz�dnych wzmacniaczy mocy RF obejmuj� fazowanie zewn�trzne Chireix. Techniki te obejmuj� z�o�ony projekt obwod�w i sterowanie zewn�trznym obwodem oraz przetwarzanie sygna�u, co sprawia, �e ich praktyczna realizacja stanowi wyzwanie. Jednak wzmacniacz Doherty, kt�ry ma cechy samozarz�dzaj�ce, jest uwa�any za najbardziej atrakcyjny dla system�w 5G. Technika Doherty jest technik� zwi�kszania wydajno�ci, realizowan� w liniowym obszarze dzia�ania wzmacniacza mocy, kt�ra mo�e by� wykorzystana do osi�gni�cia wy�szej wydajno�ci przy niskiej mocy wyj�ciowej i jest badana w nast�pnej sekcji.

Wzmacniacz mocy RF dla 5G

W 1936 r. W.H. Doherty z Bell Telephone Laboratories Inc. zaproponowa� wysokowydajny wzmacniacz mocy o nazwie Doherty. Wynikowy liniowy wzmacniacz mocy osi�ga wy�sz� sprawno�� przy wyj�ciach poni�ej szczytowej mocy wyj�ciowej (PEP) ni� konwencjonalny liniowy wzmacniacz mocy klasy B. Wzmacniacz mocy Doherty (PA) w poni�szym studium przypadku wykorzystuje technik� modulacji obci��enia, z liniowo�ci� wymuszon� przez dalsze cyfrowe zniekszta�cenia wst�pne. Zastosowano tryb wzmocnienia kana�u N Freescale Boczny MOSFET (tranzystor polowy z metalowym tlenkiem p�przewodnikowym) MRF7S38010HR3. Adaptacja obci��enia dynamicznego zosta�a zapewniona przez falownik impedancji linii transmisyjnej 50 ?, a pasywny podsystem zawiera rozdzielacz hybrydowy 90o. Projekt obejmuje zoptymalizowane odchylenie i klas� dzia�ania wzmacniacza no�nego i szczytowego, uzyskane z analizy r�wnowagi harmonicznej du�ego sygna�u. Warunkiem odchylenia dla wzmacniacza no�nego klasy AB jest Vgs = 3,0 V (Ids = 300 mA), a dla wzmacniacza szczytowego klasy C, Vgs = 2,4 V (Ids = 1 mA). Oba wzmacniacze u�ywaj� tego samego napi�cia drenu (30 V). Na wydajno�� tej konstrukcji du�y wp�yw ma wsp�czynnik sprz�gania rozdzielacza hybrydowego oraz polaryzacja klasy AB i C. Co wi�cej, w��czenie wzmacniacza klasy C zale�a�o od napi�cia polaryzacji bramy i sygna�u wej�ciowego, co z kolei okre�la niskie warto�ci i warto�ci szczytowe konfiguracji. Wzmacniacz zosta� poddany jednotonowemu testowi charakteryzuj�cemu reakcje AM-AM i AM-PM , testowi dwubarwnemu oraz testowanie sygna�em 802.16e (10 MHz pasmo 16-QAM OFDM (ortogonalny podzia� cz�stotliwo�ci) multipleksowanie) sygna� modulacji i wsp�czynnik szczytu 10 dB). Por�wnuj�c z konwencjonaln� konstrukcj� klasy AB, wyst�puje poprawa z 20% do 25% wydajno�ci; konstrukcja jest w stanie dostarczy� 15 W mocy RF przy 60% wydajno�ci u�ytecznej. Warto�� IMR1 wynosi -22,5 dB dla IMD3 (zniekszta�cenie mi�dzymodu�owe trzeciego rz�du) i -40 dB dla IMD5 (zniekszta�cenie mi�dzymodu�owe pi�tego rz�du) (dla punktu kompresji 1 dB) warto�ci wej�ciowe i wyj�ciowe IP3 wynosz� 26 dBm i 46 dBm, odpowiednio. Odrastanie widmowe obserwuje si� w wyniku nieliniowo�ci. Poprawa liniowo�ci zosta�a osi�gni�ta za pomoc� cyfrowego wst�pnego zniekszta�cenia pasma podstawowego, w kt�rym sygna� wej�ciowy na wielu no�nikach jest wst�pnie zniekszta�cony w taki spos�b, �e ca�y system staje si� w przybli�eniu liniowy. Rysunek powy�szy przedstawia wyniki pomiar�w wzmocnienia sygna�u 802.16e we wzmacniaczu mocy OFDM stosuj�cym zniekszta�cenia przed zak��ceniami. W przypadku wzbudzenia dwubarwnego wzmacniacz Doherty'ego wykazywa� zar�wno lepszy wsp�czynnik mocy kana�u s�siedniego (ACPR), jak i wydajno�� mocy dodanej (PAE) w tym samym czasie, co konwencjonalny wzmacniacz typu AB. Wydajno�� ACPR -40 dBc zosta�a osi�gni�ta za pomoc� tej metody przedwykszta�ceniowej. Wyniki te pokazuj�, �e wzmacniacz mocy Doherty i cyfrowa metoda wst�pnego zniekszta�cenia s� obiecuj�c� kombinacj� zwi�kszaj�c� wydajno�� i liniowo�� system�w komunikacyjnych 5G. Jednak wdro�enie tego schematu dla system�w MIMO, z ich potencja�em zwi�kszania szybko�ci transmisji danych w aplikacjach bezprzewodowych, wymaga starannego rozwa�enia ze wzgl�du na przes�uch mi�dzy wieloma �cie�kami RF. G��wnymi przyczynami tego upo�ledzenia s� wzmacniacze du�ej mocy, nawet z zaimplementowanym PD (predistorerem) oraz systemami z wieloma antenami. W nast�pnej cz�ci wyja�niono podstawy tego zjawiska w kontek�cie mo�liwej przysz�ej operacji 5G.

Nieliniowy przes�uch w systemach MIMO

Projekty nadajnik�w-odbiornik�w MIMO jako wielu nadajnik�w i odbiornik�w pracuj� blisko siebie ze wzgl�du na wielko��. Przes�uch w wielu �cie�kach jest jednym z g��wnych problem�w w tej technologii, wyst�puj�cym, gdy sygna�y z r�nych �r�de� zak��caj� si� wzajemnie ze wzgl�du na sprz�enie mi�dzy wieloma �cie�kami. W literaturze zdefiniowano dwie cechy przes�uchu: przes�uch liniowy i przes�uch nieliniowy. Przes�uch liniowy w nadajniku lub odbiorniku wynika z liniowej kombinacji sygna�u interferencyjnego i po��danego sygna�u, ze wzgl�du na sprz�enie. Natomiast nieliniowy przes�uch powoduje zak��cenia, zanim sygna� przejdzie przez urz�dzenie nieliniowe. Dlatego sprz�enia nieliniowe i liniowe wyst�puj� odpowiednio przed i za sk�adow� nieliniow� a bezprzewodowy nadajnik. Poniewa� PA s� g��wnymi �r�d�ami nieliniowo�ci w nadajnikach, g��wna cz�� nieliniowego przes�uchu wyst�puje przed PA, podczas gdy efekt liniowy jest spowodowany sprz�eniem mi�dzy antenami. .Jedn� z mo�liwo�ci nieliniowego przes�uchu w technologii MIMO jest wsp�dzielenie lokalnego oscylatora (LO) w mechanizmie konwersji w g�r� w celu zminimalizowania obszaru uk�adu i rozproszenia mocy syntezatora. Ze wzgl�du na niewielkie rozmiary nowoczesnych przeno�nych nadajnik�w-odbiornik�w wykorzystuj�cych MIMO, istnieje znacz�ce wzajemne sprz�enie mi�dzy antenami. Dlatego te efekty musz� by� brane pod uwag� przy rozwa�aniu dok�adnego modelowania i oblicze� kana��w MIMO. Symulacje systemowe przeprowadzono za pomoc� symulatora Ptolemeusz Advanced Design System (ADS 2009) na nadajniku 2 � 2 MIMO, jak pokazano na rysunku

W celu modelowania przes�uchu liniowego zaprojektowano dwuelementow� anten� macierzow� z wykorzystaniem pod�o�a Rogers RT5870 o wzgl�dnej przenikalno�ci ε_r = 2,3, stycznej straty 0,0012 i grubo�ci 0,504 mm. Aby zbada� niedoskona�o�ci przes�uch�w na wydajno�� nadajnika-odbiornika MIMO, zbudowano system dwukana�owy. Dwa �r�d�a MIMO ��cza zwrotnego dostarczaj� sygna� RF do PA. Aby modelowa� przes�uch, sygna� RF w jednej �cie�ce jest sprz�ony z drugim zgodnie ze wsp�czynnikami sprz�enia przes�uchu liniowego i nieliniowego. Sygna�y RF MIMO, na kt�re oddzia�uje przes�uch nieliniowy, s� nast�pnie przesy�ane do modeli na poziomie obwodu PA. Parametry S mo�na uzyska� z pomiaru lub symulacji w docelowym pa�mie cz�stotliwo�ci. W celu okre�lenia interferencji fazowej z powodu wzajemnego sprz�enia anteny, stosuje si� blok zmiany fazy w ka�dej �cie�ce. Nadajnik MIMO jest okre�lony przez 64-QAM (kwadraturowa modulacja amplitudy), BW = 10 MHz, rozmiar FFT (szybka transformata Fouriera) = 1024, prefiks cykliczny = 0,125 i og�lna szybko�� kodowania = ?. Technika multipleksowania przestrzennego s�u�y do mapowania danych na antenach. Predystor Hammersteina, zgodnie z trzecim modelem, jest zawarty w ka�dej ga��zi nadajnika MIMO. Ten typ predystora mo�e kompensowa� promieniowanie pozapasmowe i poprawia� ACPR nawet o 15 dB. Chocia�, jak mo�na zauwa�y�, 10 dB nieliniowego przes�uchu ma wp�yw na proces linearyzacji, wci�� mo�na spe�ni� standardowy limit okre�lony przez mask�. W istocie nieliniowy przes�uch wp�ywa na proces konwersji sygna�u pasma podstawowego do RF. Z drugiej strony, identyfikacja predystora jest oparta na sygnale RF na wyj�ciu PA. Zatem nieliniowy przes�uch wprowadza pewn� degradacj� w ekstrakcji parametr�w predystora pasma podstawowego. Pomiary wielko�ci wektor�w b��d�w (EVM) diagram�w konstelacji wyj�ciowej analizowano dla nieliniowego przes�uchu -10 dB i -20 dB i liniowego przes�uchu -15 dB odpowiednio z interferencj� fazow� 0 � i 10 �. Gdy wzrasta nieliniowy przes�uch, granica mi�dzy punktami konstelacji odbiera i zwi�ksza warto�� EVM. Chocia� przes�uch antenowy nie pogarsza promieniowania pozapasmowego, wp�ywa na jako�� sygna�u poprzez zwi�kszenie EVM.

Wnioski

Starsze interfejsy RF nie mog� by� skutecznie i wydajnie wykorzystywane w przysz�ych systemach 5G. Systemy antenowe s� �ci�le powi�zane z realizacj� architektoniczn� pozosta�ej cz�ci frontu. Otwarte p�tle i ostatnio dost�pne przestrajalne systemy z zamkni�t� p�tl� s� obecnie najnowocze�niejsze. Jednak dostrojone systemy s� obecnie dost�pne tylko dla niekt�rych typ�w anten i nadal s� do�� du�e i kosztowne. W systemach 5G celem jest dostarczenie rozwi�za� i opracowanie sterowanych i wielopasmowych system�w antenowych, kt�re sprostaj� wyzwaniom dla przysz�ych terminali i infrastruktur wielopasmowych / wielomodowych. Proponowane pasma cz�stotliwo�ci dla sieci telekomunikacyjnych pi�tej generacji to fale milimetrowe, to jest od 30 do 300 GHz, gdzie mo�liwe s� aplikacje o du�ej pr�dko�ci i szerokopasmowym (internet, dane, wideo HD i wymagaj�ce gry oraz czujniki obrazowania). Przedstawili�my najnowsze wyniki bada� nad zastosowaniem technologii falowodu Integration Substrate (SIW) w konstrukcji pasywnych obwod�w czo�owych 5G. W szczeg�lno�ci aplikacja odnosi si� do pasma ISM 60 GHz. Ze wzgl�du na wysok� absorpcj� tlenu, pasmo to jest odpowiednie dla sieci wielokrotnego u�ytku, zapewniaj�c szybk� i bezpieczn� komunikacj�. Pokazali�my r�wnie� wyniki wdro�enia konfiguracji Doherty, kt�ra mo�e zapewni� efektywne przysz�e transmisje mocy 5G RF. To pokazuje znaczn� popraw� PAE w regionie o niskiej mocy, w por�wnaniu do tradycyjnej konstrukcji. Wykaza�a ona PAE na poziomie 60% dla mocy wyj�ciowej 15 W, a stosuj�c cyfrowy predystor, maksymalna moc wyj�ciowa EVM uleg�a poprawie. Na dzia�anie tego projektu du�y wp�yw mia� wsp�czynnik sprz�enia rozga��nika i polaryzacja wzmacniaczy klasy AB / C. Dodatkowo, w��czenie wzmacniacza klasy C zale�y od napi�cia polaryzacji bramy i sygna�u wej�ciowego. Wreszcie, wp�yw nieliniowego i liniowego przes�uchu w nadajnikach MIMO OFDM zosta� przedstawiony jako druga przyczyna zak��ce� w kompaktowych wielocz�ciowych procesach projektowania ko�cowego RF. Wykazano, w jaki spos�b nieliniowe zachowanie PA w nadajniku MIMO o ma�ym rozmiarze mo�e wp�ywa� na wsp�dzielone �r�d�a lokalne. Ponadto przeanalizowano wp�yw zak��ce� przes�uchu na procesy wykrywania i kompensacji sygna�u.

Technologia 5GZab�jca czy Przyjaciel?

Green Flexible RF dla 5G