天线和电子设备的融合提高了能源和频谱效率

发布时间：2020-04-26 14:42:16 【来源：】

通过集成天线和电子设备的设计，研究人员提高了新型毫米波发射机的能量和频谱效率，从而改善了调制并减少了废热的产生。结果可能是未来5G应用的毫米波无线通信设备中的通话时间更长，数据速率更高。

新的协同设计技术允许同时优化毫米波天线和电子设备。混合设备使用常规材料和集成电路(IC)技术，这意味着无需进行任何制造和封装。协同设计方案允许在同一IC芯片或同一封装上制造多个发射器和接收器，从而有可能实现多输入多输出(MIMO)系统，并提高数据速率和链路分集。

乔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)上展示了基于概念验证的基于天线的移相发射机。他们的其他天线电子协同设计工作已在2017年和2018年IEEE国际固态电路会议(ISSCC)以及多家同行评审的IEEE期刊上发表。英特尔公司和美国陆军研究办公室赞助了这项研究。

“在此示例证明中，我们的电子设备和天线经过精心设计，以便它们可以协同工作，以实现独特的天线上相移有源负载调制能力，从而显着提高整个发射器的效率，”助手王华说。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，基站和数据中心的基础设施链路中的许多类型的发射机。”

新设计的关键是保持高能效，无论该设备是在其峰值功率还是平均输出功率下运行。大多数常规发射机的效率仅在峰值功率时才高，而在低功率水平时则大幅下降，从而在放大复杂的频谱效率调制时导致效率低下。而且，常规的发射机经常使用有损功率组合器电路来增加来自多个电子设备的输出，从而加剧了效率下降。

“我们正在通过双馈环形天线来组合输出功率，通过在天线和电子产品方面的创新，我们可以大大提高能效，” Demetrius T. Paris教授在该实验室工作。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，以实现所谓的移相操作，该移相操作可以动态地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既保持高能量效率，又可以保持高效率。峰值和平均功率。”

除能效之外，该共同设计还通过允许更复杂的调制协议来提高频谱效率。这将允许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。

Wang说：“在相同的信道带宽内，建议的发射机可以发送六到十倍的更高数据速率。”“集成天线使我们有更大的自由度来探索设计创新，这是以前无法做到的。”

乔治亚理工大学研究生研究助理李森森(Sensen Li)在2018年RFIC研讨会上获得了最佳学生论文奖，他说，这项创新是将传统上分开工作的两个学科融合在一起而产生的。

他说：“我们正在整合电子和天线技术，将这两个学科结合在一起以突破极限。”“这些改进不能通过单独进行研究来实现。通过利用这种新的共同设计概念，我们可以进一步提高未来无线发射机的性能。”

Wang说，新设计已在45纳米CMOS SOI IC器件中实现，并倒装在高频层压板上，经测试证实，其能效至少提高了两倍。

通过探索多馈天线的独特特性，可以实现天线电子协同设计。

“具有多馈源的天线结构使我们能够使用多个电子器件同时驱动天线。与传统的单馈天线不同，多馈天线不仅可以用作辐射元件，而且还可以用作与接口连接的信号处理单元。在多个电子电路中。”王说。“这开启了一个全新的设计范式，使不同的电子电路以不同但优化的信号条件共同驱动天线，从而实现了空前的能源效率，频谱效率和可重构性。”

跨学科的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，从而允许成百上千个元件作为一个整体工作。Wang说：“在大规模MIMO系统中，我们需要有许多发射器和接收器，因此能效将变得更加重要。”

他指出，在毫米波频率下，使大量的元件一起工作变得更加实用，因为降低波长意味着可以将元件放在一起以实现紧凑的系统。这些因素可能为新型的波束形成铺平道路，这对未来的毫米波5G系统至关重要。

电力需求可能会推动该技术在电池供电设备中的采用，但是王说，该技术对于诸如基站或无线连接等网格供电系统也很有用，以取代大型数据中心中的电缆。在这些应用中，扩展数据速率和减少散热需求可以使新设备具有吸引力。

他说：“更高的能源效率也意味着更少的能量将转化为热量，必须将其除去才能满足热管理要求。”“在大型数据中心中，每台设备的热负载即使减少一点也可能加起来。我们希望简化这些电子设备的热要求。”

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