p Ao integrar o design da antena e da eletrônica, pesquisadores aumentaram a eficiência de energia e espectro para uma nova classe de transmissores de ondas milimétricas, permitindo melhor modulação e geração reduzida de calor residual. O resultado pode ser um tempo de conversação mais longo e taxas de dados mais altas em dispositivos de comunicação sem fio de ondas milimétricas para futuras aplicações 5G. p A nova técnica de co-design permite a otimização simultânea das antenas de ondas milimétricas e da eletrônica. Os dispositivos híbridos usam materiais convencionais e tecnologia de circuito integrado (IC), significando que nenhuma mudança seria necessária para fabricá-los e embalá-los. O esquema de co-design permite a fabricação de vários transmissores e receptores no mesmo chip IC ou no mesmo pacote, potencialmente habilitando sistemas MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output), bem como aumentando as taxas de dados e diversidade de link.

p Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia apresentaram seu transmissor de fase de teste baseado em antena de prova de conceito em 11 de junho no Simpósio de Circuitos Integrados de Radiofrequência (RFIC) 2018 na Filadélfia. Seu outro trabalho de co-design de antena e eletrônica foi publicado em 2017 e 2018 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) e vários pares revisados IEEE revistas. A Intel Corporation e o Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA patrocinaram a pesquisa.

p "Nesta prova de exemplo, nossa eletrônica e antena foram projetadas para que possam trabalhar juntas para alcançar uma capacidade única de modulação de carga ativa de outphasing na antena que aumenta significativamente a eficiência de todo o transmissor, "disse Hua Wang, professor assistente na Escola de Engenharia Elétrica e da Computação da Georgia Tech. "Este sistema pode substituir muitos tipos de transmissores em dispositivos móveis sem fio, estações-base e links de infraestrutura em data centers. "

p A chave para o novo design é manter uma alta eficiência energética, independentemente se o dispositivo está operando em sua potência de saída de pico ou média. A eficiência da maioria dos transmissores convencionais é alta apenas na potência de pico, mas cai substancialmente em níveis de baixa potência, resultando em baixa eficiência ao amplificar modulações espectralmente eficientes complexas. Além disso, transmissores convencionais muitas vezes adicionam as saídas de vários eletrônicos usando circuitos combinadores de energia com perdas, agravando a degradação da eficiência.

p "Estamos combinando a potência de saída por meio de uma antena de loop de alimentação dupla, e fazendo isso com nossa inovação em antenas e eletrônicos, podemos melhorar substancialmente a eficiência energética, "disse Wang, quem é o Professor Demetrius T. Paris na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação. "A inovação neste projeto específico é fundir a antena e os componentes eletrônicos para alcançar a chamada operação de outphasing que modula e otimiza dinamicamente as tensões e correntes de saída dos transistores de potência, de modo que o transmissor de onda milimétrica mantenha uma alta eficiência energética tanto no pico quanto na potência média. "

p Além da eficiência energética, o co-design também facilita a eficiência do espectro, permitindo protocolos de modulação mais complexos. Isso permitirá a transmissão de uma taxa de dados mais alta dentro da alocação de espectro fixo, o que representa um desafio significativo para os sistemas 5G.

p "Dentro da mesma largura de banda do canal, o transmissor proposto pode transmitir uma taxa de dados seis a dez vezes maior, "Disse Wang." Integrar a antena nos dá mais graus de liberdade para explorar a inovação do design, algo que não poderia ser feito antes. "

p Sensen Li, um assistente de pesquisa graduado da Georgia Tech que recebeu o prêmio de Melhor Trabalho de Aluno no Simpósio RFIC 2018, disse que a inovação resultou da união de duas disciplinas que tradicionalmente funcionavam separadamente.

p “Estamos unindo as tecnologias de eletrônicos e antenas, trazendo essas duas disciplinas juntas para quebrar os limites, "disse ele." Essas melhorias não poderiam ser alcançadas trabalhando-as de forma independente. Aproveitando este novo conceito de co-design, podemos melhorar ainda mais o desempenho dos futuros transmissores sem fio. "

p Os novos projetos foram implementados em dispositivos CMOS SOI IC de 45 nanômetros e flip-chip embalados em placas laminadas de alta frequência, onde o teste confirmou um aumento mínimo de duas vezes na eficiência energética, Disse Wang.

p O co-design eletrônico da antena é habilitado explorando a natureza única das antenas de alimentação múltipla.

p "Uma estrutura de antena com alimentação múltipla nos permite usar vários componentes eletrônicos para acionar a antena simultaneamente. Diferente das antenas convencionais de alimentação única, antenas de alimentação múltipla podem servir não apenas como elementos de irradiação, mas também podem funcionar como unidades de processamento de sinal que fazem interface entre vários circuitos eletrônicos, "Wang explicou." Isso abre um paradigma de design completamente novo para ter diferentes circuitos eletrônicos conduzindo a antena coletivamente com condições de sinal diferentes, mas otimizadas, alcançando eficiência energética sem precedentes, eficiência espectral e reconfigurabilidade. "

p O co-projeto interdisciplinar também pode facilitar a fabricação e operação de vários transmissores e receptores no mesmo chip, permitindo que centenas ou mesmo milhares de elementos trabalhem juntos como um sistema completo. "Em sistemas MIMO massivos, precisamos ter muitos transmissores e receptores, então a eficiência energética se tornará ainda mais importante, "Wang observou.

p Ter um grande número de elementos trabalhando juntos torna-se mais prático em frequências de ondas milimétricas porque a redução do comprimento de onda significa que os elementos podem ser colocados mais próximos para obter sistemas compactos, ele apontou. Esses fatores podem abrir caminho para novos tipos de formação de feixes essenciais nos futuros sistemas 5G de ondas milimétricas.

p As demandas de energia podem levar à adoção da tecnologia para dispositivos alimentados por bateria, mas Wang diz que a tecnologia também pode ser útil para sistemas alimentados por rede, como estações base ou conexões sem fio para substituir cabos em grandes centros de dados. Nesses aplicativos, expandir as taxas de dados e reduzir as necessidades de resfriamento pode tornar os novos dispositivos atraentes.

p "Maior eficiência energética também significa que menos energia será convertida em calor que deve ser removido para satisfazer o gerenciamento térmico, "disse ele." Em grandes centros de dados, mesmo uma pequena redução na carga térmica por dispositivo pode aumentar. Esperamos simplificar os requisitos térmicos desses dispositivos eletrônicos. "