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。