Les chercheurs de Georgia Tech sont présentés avec un équipement électronique et une configuration d'antenne utilisés pour mesurer le signal de sortie rayonné en champ lointain à partir d'émetteurs à ondes millimétriques. Montré sont l'assistant de recherche diplômé Huy Thong Nguyen, Assistant de recherche diplômé Sensen Li, et professeur adjoint Hua Wang. Crédit :Allison Carter, Géorgie Tech
En intégrant la conception de l'antenne et de l'électronique, les chercheurs ont augmenté l'efficacité énergétique et spectrale d'une nouvelle classe d'émetteurs à ondes millimétriques, permettant une modulation améliorée et une génération réduite de chaleur résiduelle. Le résultat pourrait être un temps de conversation plus long et des débits de données plus élevés dans les appareils de communication sans fil à ondes millimétriques pour les futures applications 5G.
La nouvelle technique de co-conception permet une optimisation simultanée des antennes à ondes millimétriques et de l'électronique. Les dispositifs hybrides utilisent des matériaux conventionnels et la technologie des circuits intégrés (CI), ce qui signifie qu'aucun changement ne serait nécessaire pour les fabriquer et les emballer. Le schéma de co-conception permet la fabrication de plusieurs émetteurs et récepteurs sur la même puce IC ou le même boîtier, permettant potentiellement des systèmes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) ainsi qu'à augmenter les débits de données et la diversité des liaisons.
Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont présenté leur émetteur de déphasage basé sur une antenne de preuve de concept le 11 juin lors du Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC) 2018 à Philadelphie. Leurs autres travaux de co-conception antenne-électronique ont été publiés lors de la conférence internationale IEEE 2017 et 2018 sur les circuits à semi-conducteurs (ISSCC) et ont été évalués par plusieurs pairs. IEEE revues. L'Intel Corporation et le bureau de recherche de l'armée américaine ont parrainé la recherche.
"Dans cette preuve d'exemple, notre électronique et notre antenne ont été conçues de manière à pouvoir fonctionner ensemble pour obtenir une capacité de modulation de charge active déphasante unique sur l'antenne qui améliore considérablement l'efficacité de l'ensemble de l'émetteur, " a déclaré Hua Wang, professeur adjoint à l'École de génie électrique et informatique de Georgia Tech. "Ce système pourrait remplacer de nombreux types d'émetteurs dans les appareils mobiles sans fil, stations de base et liaisons d'infrastructure dans les centres de données."
La clé de la nouvelle conception est de maintenir une efficacité énergétique élevée, que l'appareil fonctionne à sa puissance de sortie maximale ou moyenne. L'efficacité de la plupart des émetteurs conventionnels n'est élevée qu'à la puissance de crête mais chute considérablement aux faibles niveaux de puissance, résultant en une faible efficacité lors de l'amplification de modulations spectralement efficaces complexes. De plus, les émetteurs conventionnels ajoutent souvent les sorties de plusieurs appareils électroniques à l'aide de circuits de combinaison de puissance avec perte, aggravant la dégradation de l'efficacité.
"Nous combinons la puissance de sortie via une antenne cadre à double alimentation, et ce faisant avec notre innovation dans l'antenne et l'électronique, nous pouvons améliorer considérablement l'efficacité énergétique, " dit Wang, qui est le professeur Demetrius T. Paris à l'École d'ingénierie électrique et informatique. "L'innovation dans cette conception particulière est de fusionner l'antenne et l'électronique pour réaliser l'opération dite de déphasage qui module et optimise dynamiquement les tensions et courants de sortie des transistors de puissance, de sorte que l'émetteur à ondes millimétriques conserve une efficacité énergétique élevée à la fois à la puissance de crête et à la puissance moyenne."
Au-delà de l'efficacité énergétique, la co-conception facilite également l'efficacité du spectre en permettant des protocoles de modulation plus complexes. Cela permettra la transmission d'un débit de données plus élevé dans le cadre de l'attribution du spectre fixe, ce qui représente un défi important pour les systèmes 5G.
"Dans la même bande passante de canal, l'émetteur proposé peut transmettre un débit de données six à dix fois supérieur, " a déclaré Wang. " L'intégration de l'antenne nous donne plus de degrés de liberté pour explorer l'innovation de conception, quelque chose qui ne pouvait pas être fait avant."
L'image montre l'un des émetteurs à ondes millimétriques emballés avec une antenne-électronique co-conçu en collaboration par les chercheurs de Georgia Tech. La puce IC ultra-miniaturisée contient une antenne sur puce et toute l'électronique requise pour la génération et la transmission de signaux à ondes millimétriques. Plusieurs puces IC peuvent être superposées pour former un grand réseau pour les applications 5G MIMO. Crédit :Allison Carter, Géorgie Tech
Sensen Li, un assistant de recherche diplômé de Georgia Tech qui a reçu le prix du meilleur article étudiant au symposium RFIC 2018, a déclaré que l'innovation résultait du rapprochement de deux disciplines qui travaillaient traditionnellement séparément.
"Nous fusionnons les technologies de l'électronique et des antennes, réunir ces deux disciplines pour dépasser les limites, " at-il dit. " Ces améliorations ne pourraient pas être réalisées en travaillant sur elles indépendamment. En profitant de ce nouveau concept de co-conception, nous pouvons encore améliorer les performances des futurs émetteurs sans fil."
Les nouvelles conceptions ont été implémentées dans des dispositifs IC CMOS SOI de 45 nanomètres et des puces à bascule emballées sur des cartes stratifiées haute fréquence, lorsque les tests ont confirmé une augmentation minimale du double de l'efficacité énergétique, a dit Wang.
La co-conception de l'électronique d'antenne est rendue possible en explorant la nature unique des antennes à alimentation multiple.
"Une structure d'antenne avec plusieurs alimentations nous permet d'utiliser plusieurs composants électroniques pour piloter l'antenne simultanément. Différent des antennes conventionnelles à alimentation unique, les antennes multi-alimentations peuvent servir non seulement d'éléments rayonnants, mais ils peuvent également fonctionner comme des unités de traitement du signal qui s'interfacent entre plusieurs circuits électroniques, " a expliqué Wang. " Cela ouvre un tout nouveau paradigme de conception pour avoir différents circuits électroniques pilotant l'antenne collectivement avec des conditions de signal différentes mais optimisées, atteindre une efficacité énergétique sans précédent, efficacité spectrale et reconfigurabilité."
La co-conception interdisciplinaire pourrait également faciliter la fabrication et l'exploitation de plusieurs émetteurs et récepteurs sur la même puce, permettant à des centaines voire des milliers d'éléments de fonctionner ensemble comme un système complet. "Dans les systèmes MIMO massifs, nous avons besoin de beaucoup d'émetteurs et de récepteurs, l'efficacité énergétique deviendra donc encore plus importante, " a noté Wang.
Avoir un grand nombre d'éléments fonctionnant ensemble devient plus pratique aux fréquences d'ondes millimétriques car la réduction de longueur d'onde signifie que les éléments peuvent être rapprochés pour obtenir des systèmes compacts, il a souligné. Ces facteurs pourraient ouvrir la voie à de nouveaux types de formation de faisceaux essentiels dans les futurs systèmes 5G à ondes millimétriques.
Les demandes d'énergie pourraient conduire à l'adoption de la technologie pour les appareils alimentés par batterie, mais Wang dit que la technologie pourrait également être utile pour les systèmes alimentés par le réseau tels que les stations de base ou les connexions sans fil pour remplacer les câbles dans les grands centres de données. Dans ces applications, l'augmentation des débits de données et la réduction des besoins de refroidissement pourraient rendre les nouveaux appareils attrayants.
"Une efficacité énergétique plus élevée signifie également que moins d'énergie sera convertie en chaleur qui doit être éliminée pour satisfaire la gestion thermique, " a-t-il dit. " Dans les grands centres de données, même une petite réduction de la charge thermique par appareil peut s'additionner. Nous espérons simplifier les exigences thermiques de ces appareils électroniques."
