Integrando il design dell'antenna e dell'elettronica, i ricercatori hanno potenziato l'efficienza energetica e dello spettro per una nuova classe di trasmettitori di onde millimetriche, consentendo una migliore modulazione e una ridotta generazione di calore di scarto. Il risultato potrebbe essere un tempo di conversazione più lungo e velocità di trasmissione dati più elevate nei dispositivi di comunicazione wireless a onde millimetriche per le future applicazioni 5G.

La nuova tecnica di co-design consente l'ottimizzazione simultanea delle antenne a onde millimetriche e dell'elettronica. I dispositivi ibridi utilizzano materiali convenzionali e tecnologia dei circuiti integrati (IC), il che significa che non sarebbero necessarie modifiche per produrli e confezionarli. Lo schema di co-progettazione consente la fabbricazione di più trasmettitori e ricevitori sullo stesso chip IC o sullo stesso pacchetto, potenzialmente abilitando sistemi MIMO (multipli-input-multiple-output), nonché aumentando la velocità dei dati e la diversità dei collegamenti.

I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno presentato il loro trasmettitore di sfasamento basato su antenna proof-of-concept l'11 giugno al Simposio sui circuiti integrati a radiofrequenza (RFIC) 2018 a Filadelfia. Il loro altro lavoro di co-progettazione dell'antenna-elettronica è stato pubblicato alla Conferenza internazionale sui circuiti a stato solido IEEE (ISSCC) del 2017 e 2018 e sottoposto a più peer review IEEE riviste. L'Intel Corporation e l'Ufficio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti hanno sponsorizzato la ricerca.

"In questa prova di esempio, i nostri componenti elettronici e l'antenna sono stati progettati in modo da poter lavorare insieme per ottenere un'esclusiva capacità di modulazione del carico attivo con sfasamento sull'antenna che migliora significativamente l'efficienza dell'intero trasmettitore, " ha detto Hua Wang, un assistente professore presso la School of Electrical and Computer Engineering della Georgia Tech. "Questo sistema potrebbe sostituire molti tipi di trasmettitori nei dispositivi mobili wireless, stazioni base e collegamenti infrastrutturali nei data center".

La chiave del nuovo design è mantenere un'elevata efficienza energetica, indipendentemente dal fatto che il dispositivo funzioni alla potenza di uscita massima o media. L'efficienza della maggior parte dei trasmettitori convenzionali è elevata solo alla potenza di picco ma scende sostanzialmente a bassi livelli di potenza, con conseguente bassa efficienza durante l'amplificazione di modulazioni spettralmente efficienti complesse. Inoltre, i trasmettitori convenzionali spesso aggiungono le uscite da più componenti elettronici utilizzando circuiti combinatori di potenza con perdita, aggravando il degrado dell'efficienza.

"Stiamo combinando la potenza di uscita tramite un'antenna a loop a doppia alimentazione, e così facendo con la nostra innovazione nell'antenna e nell'elettronica, possiamo migliorare sostanzialmente l'efficienza energetica, " ha detto Wang, chi è il Professore Demetrius T. Paris presso la Scuola di Ingegneria Elettrica e Informatica. "L'innovazione in questo particolare design consiste nel fondere l'antenna e l'elettronica per ottenere la cosiddetta operazione di sfasamento che modula e ottimizza dinamicamente le tensioni e le correnti di uscita dei transistor di potenza, in modo che il trasmettitore di onde millimetriche mantenga un'elevata efficienza energetica sia alla potenza di picco che a quella media."

Oltre l'efficienza energetica, il co-design facilita anche l'efficienza dello spettro consentendo protocolli di modulazione più complessi. Ciò consentirà la trasmissione di una velocità di trasmissione dati più elevata all'interno dell'allocazione dello spettro fisso, il che rappresenta una sfida significativa per i sistemi 5G.

"All'interno della stessa larghezza di banda del canale, il trasmettitore proposto può trasmettere una velocità dati da sei a dieci volte superiore, " Wang ha detto. "L'integrazione dell'antenna ci offre più gradi di libertà per esplorare l'innovazione del design, qualcosa che non si poteva fare prima".

Sensen Li, un assistente di ricerca laureato della Georgia Tech che ha ricevuto il Best Student Paper Award al simposio RFIC del 2018, ha affermato che l'innovazione è il risultato dell'unione di due discipline che tradizionalmente hanno lavorato separatamente.

"Stiamo unendo le tecnologie dell'elettronica e delle antenne, riunire queste due discipline per superare i limiti, " ha detto. "Questi miglioramenti non potrebbero essere raggiunti lavorando su di essi in modo indipendente. Sfruttando questo nuovo concetto di co-design, possiamo migliorare ulteriormente le prestazioni dei futuri trasmettitori wireless."

I nuovi progetti sono stati implementati in dispositivi CMOS SOI IC a 45 nanometri e flip-chip confezionati su schede laminate ad alta frequenza, dove i test hanno confermato un aumento minimo di due volte dell'efficienza energetica, ha detto Wang.

Il co-design dell'elettronica dell'antenna è reso possibile dall'esplorazione della natura unica delle antenne multi-feed.

"Una struttura dell'antenna con più feed ci consente di utilizzare più componenti elettronici per pilotare l'antenna contemporaneamente. Diversamente dalle antenne convenzionali a alimentazione singola, le antenne multifeed possono servire non solo come elementi radianti, ma possono anche funzionare come unità di elaborazione del segnale che si interfacciano tra più circuiti elettronici, " Wang ha spiegato. "Questo apre un paradigma di progettazione completamente nuovo per avere diversi circuiti elettronici che guidano l'antenna collettivamente con condizioni di segnale diverse ma ottimizzate, raggiungere un'efficienza energetica senza precedenti, efficienza spettrale e riconfigurabilità."

La co-progettazione interdisciplinare potrebbe anche facilitare la fabbricazione e il funzionamento di più trasmettitori e ricevitori sullo stesso chip, consentendo a centinaia o addirittura migliaia di elementi di lavorare insieme come un intero sistema. "Nei sistemi MIMO massicci, abbiamo bisogno di molti trasmettitori e ricevitori, quindi l'efficienza energetica diventerà ancora più importante, " ha osservato Wang.

Avere un gran numero di elementi che lavorano insieme diventa più pratico a frequenze d'onda millimetriche perché la riduzione della lunghezza d'onda significa che gli elementi possono essere posizionati più vicini tra loro per ottenere sistemi compatti, ha sottolineato. Questi fattori potrebbero aprire la strada a nuovi tipi di beamforming che sono essenziali nei futuri sistemi 5G a onde millimetriche.

La richiesta di energia potrebbe favorire l'adozione della tecnologia per i dispositivi alimentati a batteria, ma Wang afferma che la tecnologia potrebbe essere utile anche per i sistemi alimentati dalla rete come stazioni base o connessioni wireless per sostituire i cavi nei grandi data center. In quelle applicazioni, l'espansione della velocità dei dati e la riduzione delle esigenze di raffreddamento potrebbero rendere attraenti i nuovi dispositivi.

"Una maggiore efficienza energetica significa anche che meno energia sarà convertita in calore che deve essere rimosso per soddisfare la gestione termica, " ha detto. "Nei grandi data center, anche una piccola riduzione del carico termico per dispositivo può sommarsi. Speriamo di semplificare i requisiti termici di questi dispositivi elettronici".