Бережливость и скупость: максимальное использование связи 5G

Токийский технологический институт

изображение: -посмотреть больше

Фото: Симпозиумы 2021 года по технологиям и схемам СБИС.

Ученые Токийского технологического института (Tokyo Tech) разработали ретрансляционную сеть с беспроводным питанием для систем 5G. Предлагаемая связь без батарей решает проблемы гибкого развертывания ретрансляционных сетей. Эта конструкция одновременно экономична и энергоэффективна. Такие достижения в области связи 5G откроют огромные возможности для широкого круга секторов.

Постоянно растущий спрос на пропускную способность беспроводной передачи данных не собирается замедляться в ближайшем будущем. Миллиметровые волны, коротковолновой спектр, продемонстрировали большой потенциал в сфере связи 5G и за ее пределами. Для использования мощных частот миллиметрового диапазона адаптируются антенны с фазированной решеткой (элементы антенны, которые работают вместе для повышения мощности сигнала в определенном направлении). Однако текущий вариант использования ограничен распространением в пределах прямой видимости.

В результате ретрансляционные узлы рассматриваются для связи вне прямой видимости (рис. 1). Хотя ретрансляция может обеспечить улучшенную полосу пропускания, покрытие и надежность, гибкое развертывание сети ретрансляции создает некоторые проблемы. Наиболее серьезной проблемой в релейных сетях является электропитание. Типовой релейный узел имеет собственный блок питания или подключается к внешнему источнику питания.

К счастью, группа ученых из Токийского технологического института под руководством профессора Кеничи Окада предложила релейный приемопередатчик с фазированной решеткой 28 ГГц с беспроводным питанием для сети 5G. Их работу планируется представить на Симпозиуме по технологиям и схемам СБИС в 2021 году — международной конференции, на которой будут изучаться новые тенденции и новые концепции полупроводниковых технологий и схем.

Для реализации предложенной конструкции используется метод векторного суммирования обратного рассеяния. Передатчик работает по принципу обратного рассеяния с сигналами гетеродина (LO) 24 ГГц и промежуточной частоты (ПЧ) 4 ГГц (рис. 2). Окада уточняет: «Связь с обратным рассеянием позволяет собирать энергию из падающих сигналов и отражать обратные части тех же сигналов при модуляции данных. В этой конструкции обратное рассеяние преобразует с повышением частоты спектр нового радио 5G (5G NR) на частоте 4 ГГц и передает на частоте 28 ГГц». Передатчик также действует как фазовращатель, позволяя изменять фазу входящего сигнала. Возможности обратного рассеяния и фазового сдвига передатчика облегчают формирование диаграммы направленности, при этом массивом антенн можно управлять для передачи сигналов в определенном направлении. В результате информация передается более эффективно с меньшими помехами.

Работа приемника и выпрямителя — еще одна важная особенность трансивера. Пассивные фазовращатели и сумматоры мощности (которые объединяют мощность, подаваемую на несколько портов) используются для повышения мощности принимаемого сигнала для беспроводной передачи энергии (WPT). Предлагаемый выпрямитель действует как автогетеродинный смеситель. Другими словами, выпрямитель разделяет и воссоединяет входящий луч с его модулированной версией. Он также работает как двухполупериодный выпрямитель с сигналом БПЭ 24 ГГц.

Весь релейный приемопередатчик с фазированной решеткой занимает площадь всего 1,8 мм2 (рис. 3). В режиме приема модуль массива 4x8 с беспроводным питанием выдает мощность 3,1 мВт. В режиме передачи он производит -2,2 дБм насыщенной эквивалентной изотропной излучаемой мощности (EIRP), которая представляет собой выходную мощность, излучаемую антенной в одном направлении. Обратное рассеяние с векторным суммированием охватывает фазовый диапазон 360° с 7-битным фазовым разрешением, потребляя при этом всего 0,03 мВт как в режиме передачи, так и в режиме приема.

Окада с волнением заключает: «Предлагаемый безбатарейный трансивер расширяет возможности подключения 5G, выступая в качестве ретранслятора между внутренними и внешними средами. Это, в свою очередь, улучшит взаимодействие с пользователем и создаст новые возможности для повышения эффективности работы в Интернете вещей и промышленной автоматизации. и новые услуги связи».