Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um método para avaliar e selecionar projetos de antenas ideais para futuros telefones celulares de quinta geração (5G), outros dispositivos sem fio e estações base.

O novo método NIST pode aumentar a capacidade da rede sem fio 5G e reduzir custos.

Os sistemas 5G evitarão canais sem fio convencionais congestionados usando mais bandas de frequência de ondas milimétricas. As transmissões nessas frequências perdem muita energia ao longo do caminho, que enfraquece a força do sinal recebido. Uma solução são as antenas "inteligentes" que podem formar feixes excepcionalmente estreitos - a área no espaço onde os sinais são transmitidos ou recebidos - e direcioná-los rapidamente em diferentes direções.

A largura do feixe da antena afeta o design e o desempenho do sistema sem fio. O novo método baseado em medição do NIST permite que projetistas e engenheiros de sistema avaliem as larguras de feixe de antena mais apropriadas para ambientes reais.

"Nosso novo método pode reduzir custos, permitindo maior sucesso com o projeto de rede inicial, eliminando grande parte da tentativa e erro que agora é necessária, "Disse a engenheira do NIST Kate Remley." O método também fomentaria o uso de novas estações base que transmitem para vários usuários simultaneamente ou em rápida sucessão, sem que um feixe de antena interfira com o outro. Esse, por sua vez, aumentaria a capacidade da rede e reduziria os custos com maior confiabilidade. "

Este é o primeiro estudo detalhado baseado em medição de como a largura do feixe da antena e a orientação interagem com o ambiente para afetar a transmissão do sinal de ondas milimétricas. Na técnica, As medições NIST cobrindo uma ampla gama de ângulos de feixe de antena são convertidas em um padrão de antena omnidirecional cobrindo todos os ângulos igualmente. O padrão omnidirecional pode então ser segmentado em larguras de feixe cada vez mais estreitas. Os usuários podem avaliar e modelar como as características do feixe da antena devem funcionar em tipos específicos de canais sem fio.

Um engenheiro pode usar o método para selecionar uma antena que melhor se adapte a uma aplicação específica. Por exemplo, o engenheiro pode escolher uma largura de feixe estreita o suficiente para evitar reflexos em certas superfícies ou que permite que várias antenas coexistam em um determinado ambiente sem interferência.

Para desenvolver o novo método, a equipe do NIST coletou dados experimentais em um corredor e saguão de um prédio de pesquisa do NIST, usando um robô especial carregado com uma sirene de canal personalizada e outros equipamentos. Uma sonda de canal coleta dados que capturam as reflexões do sinal, difrações e espalhamento que ocorrem entre um transmissor e um receptor. Muitas dessas medidas podem ser usadas para criar uma representação estatística do canal de rádio, para apoiar o design e padronização de sistema confiável.

Os resultados do estudo NIST confirmam que os feixes estreitos podem reduzir significativamente a interferência e atrasos do sinal, e que uma orientação otimizada do feixe reduz a perda de energia durante as transmissões. Por exemplo, o intervalo de tempo durante o qual as reflexões de sinal chegam (uma métrica chamada propagação de retardo RMS) caiu drasticamente de 15 nanossegundos (ns) para cerca de 1,4 ns conforme a largura do feixe da antena foi reduzida de omnidirecional (360 graus) para 3 graus estreitos ou o chamado feixe de lápis .

Pesquisas futuras incluirão a extensão do método a diferentes ambientes e a análise de outras características do canal sem fio.