Al integrar el diseño de la antena y la electrónica, los investigadores han aumentado la eficiencia energética y del espectro para una nueva clase de transmisores de onda milimétrica, lo que permite una modulación mejorada y una generación reducida de calor residual. El resultado podría ser un mayor tiempo de conversación y mayores tasas de datos endispositivos de comunicación inalámbrica de onda milimétrica para futuras aplicaciones 5G.
La nueva técnica de codiseño permite la optimización simultánea de las antenas de onda milimétrica y la electrónica. Los dispositivos híbridos usan materiales convencionales y tecnología de circuito integrado IC, lo que significa que no se requerirán cambios para fabricarlos y empaquetarlos. El esquema de codiseñopermite la fabricación de múltiples transmisores y receptores en el mismo chip IC o el mismo paquete, lo que potencialmente permite sistemas de múltiples entradas-múltiples salidas MIMO, así como aumentar las velocidades de datos y la diversidad de enlaces.
Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia presentaron su transmisor de prueba de concepto basado en antenas el 11 de junio en el Simposio de Circuitos Integrados de Radio Frecuencia RFIC de 2018 en Filadelfia. Su otro trabajo de codiseño de antena y electrónica se publicó enla Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido IEEE 2017 y 2018 ISSCC y múltiples revisados por pares IEEE revistas. La Corporación Intel y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Patrocinaron la investigación.
"En esta prueba de ejemplo, nuestros componentes electrónicos y antena fueron diseñados para que puedan trabajar juntos para lograr una capacidad única de modulación de carga activa en la antena que mejora significativamente la eficiencia de todo el transmisor", dijo Hua Wang,profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech. "Este sistema podría reemplazar muchos tipos de transmisores en dispositivos móviles inalámbricos, estaciones base y enlaces de infraestructura en centros de datos".
La clave del nuevo diseño es mantener una alta eficiencia energética independientemente de si el dispositivo está funcionando a su potencia de salida máxima o media. La eficiencia de la mayoría de los transmisores convencionales es alta solo a la potencia máxima pero cae sustancialmente a niveles de potencia bajos, lo que resultaen baja eficiencia al amplificar modulaciones complejas espectralmente eficientes. Además, los transmisores convencionales a menudo agregan las salidas de múltiples componentes electrónicos utilizando circuitos combinados de potencia con pérdidas, lo que exacerba la degradación de la eficiencia.
"Estamos combinando la potencia de salida a través de una antena de bucle de alimentación dual, y al hacerlo con nuestra innovación en la antena y la electrónica, podemos mejorar sustancialmente la eficiencia energética", dijo Wang, profesor de Demetrius T. Parisen la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática ". La innovación en este diseño particular es fusionar la antena y la electrónica para lograr la llamada operación de salida que modula y optimiza dinámicamente los voltajes y las corrientes de salida de los transistores de potencia, de modo que la onda milimétricael transmisor mantiene una alta eficiencia energética tanto en el pico como en la potencia promedio "
Más allá de la eficiencia energética, el codiseño también facilita la eficiencia del espectro al permitir protocolos de modulación más complejos. Eso permitirá la transmisión de una mayor velocidad de datos dentro de la asignación de espectro fijo que plantea un desafío significativo para los sistemas 5G.
"Dentro del mismo ancho de banda del canal, el transmisor propuesto puede transmitir una velocidad de datos de seis a diez veces mayor", dijo Wang. "La integración de la antena nos brinda más grados de libertad para explorar la innovación en el diseño, algo que no se podía hacer antes".
Sensen Li, una asistente de investigación de posgrado de Georgia Tech que recibió el Premio al Mejor Documento del Estudiante en el simposio RFIC 2018, dijo que la innovación fue el resultado de reunir dos disciplinas que tradicionalmente han funcionado por separado.
"Estamos fusionando las tecnologías de la electrónica y las antenas, uniendo estas dos disciplinas para romper los límites", dijo. "Estas mejoras no podrían lograrse trabajando en ellas de forma independiente. Aprovechando este nuevo concepto de codiseño, podemos mejorar aún más el rendimiento de futuros transmisores inalámbricos ".
Los nuevos diseños se han implementado en dispositivos CMOS SOI IC de 45 nanómetros y flip-chip empaquetados en tableros laminados de alta frecuencia, donde las pruebas han confirmado un aumento mínimo de dos veces en la eficiencia energética, dijo Wang.
El codiseño de la electrónica de la antena se habilita explorando la naturaleza única de las antenas de alimentación múltiple.
"Una estructura de antena con múltiples alimentaciones nos permite utilizar múltiples componentes electrónicos para accionar la antena al mismo tiempo. A diferencia de las antenas convencionales de alimentación única, las antenas de alimentación múltiple pueden servir no solo como elementos radiantes, sino que también pueden funcionar como unidades de procesamiento de señalesesa interfaz entre múltiples circuitos electrónicos ", explicó Wang." Esto abre un paradigma de diseño completamente nuevo para tener diferentes circuitos electrónicos que manejan la antena colectivamente con condiciones de señal diferentes pero optimizadas, logrando una eficiencia energética, eficiencia espectral y reconfigurabilidad sin precedentes ".
El codiseño multidisciplinario también podría facilitar la fabricación y operación de múltiples transmisores y receptores en el mismo chip, permitiendo que cientos o incluso miles de elementos trabajen juntos como un sistema completo ". En los sistemas MIMO masivos, necesitamos tenermuchos transmisores y receptores, por lo que la eficiencia energética será aún más importante ", señaló Wang.
Señaló que tener un gran número de elementos trabajando juntos se vuelve más práctico en frecuencias de onda milimétrica porque la reducción de la longitud de onda significa que los elementos se pueden colocar más cerca para lograr sistemas compactos. Estos factores podrían allanar el camino para nuevos tipos de formación de haces que son esencialesen futuros sistemas de ondas milimétricas 5G.
Las demandas de energía podrían impulsar la adopción de la tecnología para dispositivos alimentados por batería, pero Wang dice que la tecnología también podría ser útil para sistemas alimentados por la red, como estaciones base o conexiones inalámbricas para reemplazar cables en grandes centros de datos. En esas aplicaciones, expandirlas velocidades de datos y la reducción de las necesidades de enfriamiento podrían hacer atractivos los nuevos dispositivos
"Una mayor eficiencia energética también significa que se convertirá menos energía en calor que debe eliminarse para satisfacer la gestión térmica", dijo. "En los grandes centros de datos, incluso una pequeña reducción en la carga térmica por dispositivo puede sumar. Esperamospara simplificar los requisitos térmicos de estos dispositivos electrónicos "
Además de los ya mencionados, el equipo de investigación incluyó a Taiyun Chi, Huy Thong Nguyen y Tzu-Yuan Huang, todos de Georgia Tech.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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