合并天線和電子設(shè)備可提高能源和頻譜效率

通過整合天線和電子設(shè)備的設(shè)計，研究人員提高了新型毫米波發(fā)射器的能量和頻譜效率，從而改善了調(diào)制并減少了廢熱的產(chǎn)生。結(jié)果可能是毫米波無線通信設(shè)備中的通話時間更長和數(shù)據(jù)速率更高，以用于未來的5G應(yīng)用。

新的協(xié)同設(shè)計技術(shù)允許同時優(yōu)化毫米波天線和電子設(shè)備?；旌显O(shè)備使用傳統(tǒng)材料和集成電路(IC)技術(shù)，這意味著制造和封裝它們不需要改變。該協(xié)同設(shè)計方案允許在同一IC芯片或相同封裝上制造多個發(fā)射器和接收器，可能實現(xiàn)多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)以及提高數(shù)據(jù)速率和鏈路分集。

“在這個例子中，我們的電子設(shè)備和天線的設(shè)計使它們可以協(xié)同工作，實現(xiàn)獨特的天線異相有源負載調(diào)制能力，從而顯著提高整個發(fā)射機的效率，”助理王華說。佐治亞理工學院電氣與計算機工程學院教授?！霸撓到y(tǒng)可以取代無線移動設(shè)備，基站和數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施鏈路中的許多類型的發(fā)射機。”

無論設(shè)備是以峰值還是平均輸出功率運行，新設(shè)計的關(guān)鍵是保持高能效。大多數(shù)傳統(tǒng)發(fā)射器的效率僅在峰值功率時高，但在低功率水平下基本上下降，導(dǎo)致在放大復(fù)雜的頻譜有效調(diào)制時效率低。此外，傳統(tǒng)的發(fā)射器通常使用有損功率組合器電路來添加來自多個電子器件的輸出，從而加劇了效率降低。

“我們通過雙饋環(huán)形天線將輸出功率結(jié)合起來，通過我們在天線和電子設(shè)備方面的創(chuàng)新，我們可以大大提高能效，”王，德米特里斯T.巴黎教授說道。電氣與計算機工程學院?！斑@種特殊設(shè)計的創(chuàng)新之處在于將天線和電子設(shè)備融合在一起，實現(xiàn)所謂的異相操作，動態(tài)調(diào)制和優(yōu)化功率晶體管的輸出電壓和電流，從而使毫米波發(fā)射器保持高效率。峰值和平均功率?！?/p>

除了能效之外，協(xié)同設(shè)計還通過允許更復(fù)雜的調(diào)制協(xié)議來促進頻譜效率。這將使得能夠在固定頻譜分配內(nèi)傳輸更高的數(shù)據(jù)速率，這對5G系統(tǒng)構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。

“在相同的信道帶寬內(nèi)，建議的發(fā)射機可以傳輸6到10倍的數(shù)據(jù)速率，”王說。“集成天線為我們提供了更多的探索設(shè)計創(chuàng)新的自由度，這是以前無法做到的?！?/p>

佐治亞理工學院研究生助理Sensen Li在2018年RFIC研討會上獲得了最佳學生論文獎，他表示，這項創(chuàng)新是將傳統(tǒng)上分開工作的兩個學科匯集在一起的。

“我們正在合并電子和天線技術(shù)，將這兩個學科結(jié)合在一起，突破極限，”他說?！巴ㄟ^獨立開展這些改進無法實現(xiàn)這些改進。通過利用這種新的協(xié)同設(shè)計理念，我們可以進一步提高未來無線發(fā)射機的性能。”

Wang說，這些新設(shè)計已經(jīng)在45納米CMOS SOI IC器件中實現(xiàn)，并在高頻層壓板上進行倒裝芯片封裝，測試證明能效最低可提高兩倍。

通過探索多饋天線的獨特性質(zhì)，可以實現(xiàn)天線電子協(xié)同設(shè)計。

“具有多個饋源的天線結(jié)構(gòu)允許我們使用多個電子設(shè)備同時驅(qū)動天線。與傳統(tǒng)的單饋天線不同，多饋天線不僅可以用作輻射元件，而且還可以用作接口的信號處理單元在多個電子電路中，“王解釋道。“這開辟了一個全新的設(shè)計范例，讓不同的電子電路以不同但優(yōu)化的信號條件共同驅(qū)動天線，實現(xiàn)前所未有的能效，頻譜效率和可重構(gòu)性?！?/p>

跨學科協(xié)同設(shè)計還可以促進同一芯片上多個發(fā)射器和接收器的制造和操作，允許數(shù)百甚至數(shù)千個元件作為整個系統(tǒng)一起工作?！霸诖笠?guī)模MIMO系統(tǒng)中，我們需要擁有大量的發(fā)射器和接收器，因此能效將變得更加重要，”Wang指出。

他指出，在毫米波頻率下，大量元件一起工作變得更加實用，因為波長減少裝置元件可以更緊密地放在一起以實現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)。這些因素可為未來毫米波5G系統(tǒng)中必不可少的新型波束成形鋪平道路。

電力需求可能會推動電池供電設(shè)備技術(shù)的采用，但Wang表示，該技術(shù)對基站或無線連接等電網(wǎng)供電系統(tǒng)也很有用，可替代大型數(shù)據(jù)中心的電纜。在這些應(yīng)用中，擴展數(shù)據(jù)速率和降低冷卻需求可以使新設(shè)備具有吸引力。

“更高的能源效率也意味著更少的能源將轉(zhuǎn)化為熱量，必須將其去除以滿足熱管理，”他說?！霸诖笮蛿?shù)據(jù)中心，即使每個設(shè)備的熱負荷小幅下降也可以增加。我們希望簡化這些電子設(shè)備的散熱要求?！?/p>

除了已經(jīng)提到的那些，研究團隊還包括喬治亞理工學院的Taiyun Chi，Huy Thong Nguyen和Tzu-Yuan Huang。