Integroimalla antennin ja elektroniikan suunnittelun tutkijat ovat lisänneet millimetriaaltolähettimien energia- ja taajuustehokkuutta. Tämä mahdollistaa paremman moduloinnin ja vähentää hukkalämmön syntymistä.

Uusi rinnakkaissuunnittelun tekniikka mahdollistaa millimetriaaltojen antennien ja elektroniikan samanaikaisen optimoinnin. Suunnitellut hybridilaitteet tukeutuvat tavanomaisiin materiaaleihin ja integroitujen piirien tekniikkaan.

Yhtäaikainen suunnittelu mahdollistaa useiden lähettimien ja vastaanottimien valmistamisen samalle IC-piirille tai samaan koteloon, mikä mahdollistaa usean sisääntulon ja usean annon MIMO-järjestelmät sekä lisäävät datanopeuksia ja linkin monimuotoisuutta.

Georgia Institute of Technologyn tutkijoiden tuottamassa toteutusesimerkissä elektroniikka ja antenni ovat suunniteltu siten, että ne voivat toimia yhdessä saavuttaakseen ainutlaatuisen antennissa tapahtuvan antovaiheistuksen (outphasing) kautta aktiivisen kuorman modulaatiokyvyn. Tämä lisää merkittävästi koko lähettimen tehokkuutta, toteaa Georgia Techin sähkö- ja tietotekniikan apulaisprofessori Hua Wang.

- Tämä järjestelmä voisi korvata monenlaisia lähettimiä langattomissa mobiililaitteissa, tukiasemissa ja datakeskuksien infrastruktuurilinkeissä. Yhdistämme lähtötehon kaksoissyöttöisen silmukka-antennin kautta ja näin tehden sekä antennin ja elektroniikan innovaatioidemme avulla voimme merkittävästi parantaa energiatehokkuutta, Wang toteaa.

- Innovaatio tässä erityisessä suunnittelussa on yhdistää antenni ja elektroniikka niin, että saadaan aikaan ns. outphasing-toiminto. Se dynaamisesti moduloi ja optimoi tehontransistorien antojännitteet ja -virrat niin, että millimetriaaltojen lähetin ylläpitää hyvää energiatehokkuutta sekä huipputeholla että keskimääräisellä teholla.

Energiatehokkuuden lisäksi yhteissuunnittelu helpottaa myös spektritehokkuutta mahdollistamalla monimutkaisempia modulaatioprotokollia. Tämä mahdollistaa nopeampien datanopeuksien siirrot kiinteää spektriä jaettaessa, mikä on merkittävä haaste 5G-järjestelmille. - Saman kanavan kaistanleveyden puitteissa ehdotettu lähetin voi lähettää 6-10 kertaa enemmän dataa.

Uudenlaiset suunnitelmat on toteutettu 45 nanometrin CMOS SOI IC –tekniikalla ja flip-chip-koteloinnilla ja on koottu korkeiden taajuuksien laminaattilevyihin. Näillä rakenteilla tehdyt testit ovat vahvistaneet kaksinkertaisen lisäyksen energiatehokkuuteen.

Antennielektroniikan rinnakkaissuunnittelu on mahdollista tutkimalla monisyöttöantennien erikoista luonnetta, jossa useampi elektroniikka voi ajaa antennia samanaikaisesti. Yhden syötön antenneista eroten ne voivat toimia paitsi säteilevinä elementteinä, mutta ne voivat toimia myös signaalinkäsittelyn yksiköinä, jolla on rajapinta useiden elektronisen piirien kanssa.

Veijo Hänninen
Nanobittejä 22.08.2018