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合并天线和电子设备可提高能源和频谱效率

2019-04-19 10:15:25   来源:

通过整合天线和电子设备的设计,研究人员提高了新型毫米波发射器的能量和频谱效率,从而改善了调制并减少了废热的产生。结果可能是毫米波无线通信设备中的通话时间更长和数据速率更高,以用于未来的5G应用。

新的协同设计技术允许同时优化毫米波天线和电子设备。混合设备使用传统材料和集成电路(IC)技术,这意味着制造和封装它们不需要改变。该协同设计方案允许在同一IC芯片或相同封装上制造多个发射器和接收器,可能实现多输入多输出(MIMO)系统以及提高数据速率和链路分集。

佐治亚理工学院的研究人员于6月11日在费城举行的2018年射频集成电路研讨会(RFIC)上展示了他们的基于概念验证天线的异相发射机。他们的其他天线电子协同设计工作发表在2017年和2018年IEEE国际固态电路会议(ISSCC)和多个同行评审的IEEE期刊上。英特尔公司和美国陆军研究办公室赞助了这项研究。

“在这个例子中,我们的电子设备和天线的设计使它们可以协同工作,实现独特的天线异相有源负载调制能力,从而显着提高整个发射机的效率,”助理王华说。佐治亚理工学院电气与计算机工程学院教授。“该系统可以取代无线移动设备,基站和数据中心基础设施链路中的许多类型的发射机。”

无论设备是以峰值还是平均输出功率运行,新设计的关键是保持高能效。大多数传统发射器的效率仅在峰值功率时高,但在低功率水平下基本上下降,导致在放大复杂的频谱有效调制时效率低。此外,传统的发射器通常使用有损功率组合器电路来添加来自多个电子器件的输出,从而加剧了效率降低。

“我们通过双馈环形天线将输出功率结合起来,通过我们在天线和电子设备方面的创新,我们可以大大提高能效,”王,德米特里斯T.巴黎教授说道。电气与计算机工程学院。“这种特殊设计的创新之处在于将天线和电子设备融合在一起,实现所谓的异相操作,动态调制和优化功率晶体管的输出电压和电流,从而使毫米波发射器保持高效率。峰值和平均功率。“

除了能效之外,协同设计还通过允许更复杂的调制协议来促进频谱效率。这将使得能够在固定频谱分配内传输更高的数据速率,这对5G系统构成了重大挑战。

“在相同的信道带宽内,建议的发射机可以传输6到10倍的数据速率,”王说。“集成天线为我们提供了更多的探索设计创新的自由度,这是以前无法做到的。”

佐治亚理工学院研究生助理Sensen Li在2018年RFIC研讨会上获得了最佳学生论文奖,他表示,这项创新是将传统上分开工作的两个学科汇集在一起​​的。

“我们正在合并电子和天线技术,将这两个学科结合在一起,突破极限,”他说。“通过独立开展这些改进无法实现这些改进。通过利用这种新的协同设计理念,我们可以进一步提高未来无线发射机的性能。”

Wang说,这些新设计已经在45纳米CMOS SOI IC器件中实现,并在高频层压板上进行倒装芯片封装,测试证明能效最低可提高两倍。

通过探索多馈天线的独特性质,可以实现天线电子协同设计。

“具有多个馈源的天线结构允许我们使用多个电子设备同时驱动天线。与传统的单馈天线不同,多馈天线不仅可以用作辐射元件,而且还可以用作接口的信号处理单元在多个电子电路中,“王解释道。“这开辟了一个全新的设计范例,让不同的电子电路以不同但优化的信号条件共同驱动天线,实现前所未有的能效,频谱效率和可重构性。”

跨学科协同设计还可以促进同一芯片上多个发射器和接收器的制造和操作,允许数百甚至数千个元件作为整个系统一起工作。“在大规模MIMO系统中,我们需要拥有大量的发射器和接收器,因此能效将变得更加重要,”Wang指出。

他指出,在毫米波频率下,大量元件一起工作变得更加实用,因为波长减少装置元件可以更紧密地放在一起以实现紧凑的系统。这些因素可为未来毫米波5G系统中必不可少的新型波束成形铺平道路。

电力需求可能会推动电池供电设备技术的采用,但Wang表示,该技术对基站或无线连接等电网供电系统也很有用,可替代大型数据中心的电缆。在这些应用中,扩展数据速率和降低冷却需求可以使新设备具有吸引力。

“更高的能源效率也意味着更少的能源将转化为热量,必须将其去除以满足热管理,”他说。“在大型数据中心,即使每个设备的热负荷小幅下降也可以增加。我们希望简化这些电子设备的散热要求。”

除了已经提到的那些,研究团队还包括乔治亚理工学院的Taiyun Chi,Huy Thong Nguyen和Tzu-Yuan Huang。