Avanzare nelle applicazioni mmWave con gli amplificatori di potenza

In passato le velocità dati wireless più elevate venivano ottenute tramite schemi di modulazione sempre più complessi in grado di comprimere un numero crescente di bit nelle stesse sezioni di spettro. Ora che questo approccio ha raggiunto i suoi limiti pratici, il futuro dipenderà da larghezze di banda più ampie piuttosto che da una modulazione più densa, indipendentemente dal fatto che l'obiettivo sia la progettazione di applicazioni commerciali 5G o di collegamenti militari ad alta capacità. Questo cambiamento spinge i progettisti verso lo spettro delle onde millimetriche (mmWave), dove l'abbondanza dello spettro consente nuove funzionalità ma introduce una serie di sfide progettuali molto differenti.

I sistemi di comunicazione 5G stanno beneficiando di anni di ricerche originariamente eseguite dalle aziende del comparto difesa. Ad esempio, la tecnologia delle antenna a schiera di fase nata proprio dal comparto della difesa, che consente di orientare il fascio e di tracciare più bersagli contemporaneamente, è ora ampiamente adottata nelle applicazioni 5G per trasmettere flussi di dati simultanei a più utenti. I sistemi commerciali operano sempre più spesso in bande come 28 GHz e 39 GHz per accedere alla larghezza di banda necessaria per collegamenti multi-gigabit.

Aziende come Analog Devices, Inc. hanno sfruttato l'esperienza maturata nel campo mmWave con le applicazioni del settore della difesa per fornire componenti standard conformi sia ai requisiti di prestazioni della difesa sia al livello di producibilità necessario per le infrastrutture commerciali. Il confezionamento avanzato a montaggio superficiale dei circuiti integrati ad alta frequenza è stato determinante per portare il 5G a una diffusione di massa.

Sia il settore 5G che quello della difesa si basano su hardware avanzato ad alta frequenza. Mentre le reti 5G si ottimizzano per specifiche sezioni spettrali ristrette per massimizzare il throughput, le applicazioni militari come la guerra elettronica (EW) richiedono ampie larghezze di banda operative per garantire la consapevolezza spettrale. Nonostante queste differenze, la spinta verso ampie larghezze di banda di modulazione nel 5G ha creato un vantaggio di produzione simbiotico.

La convergenza di questi settori nella tecnologia mmWave ha permesso di raggiungere la scala di produzione necessaria per la distribuzione commerciale. Inoltre, ha ridotto in modo significativo i costi associati alla creazione di applicazioni militari che in precedenza si basavano su processi di assemblaggio "chip-and-wire" costosi e a bassi volumi.

Questa scala si basa su circuiti integrati a radiofrequenza (RFIC) altamente integrati, moduli a schiera di fase e soluzioni di test accessibili che sono sempre più disponibili per i piccoli studi di progettazione che storicamente non avevano il budget o la specializzazione dei grandi appaltatori della difesa.

Questa "contaminazione incrociata" tra le tecnologie ha anche portato alla creazione di un'infrastruttura di test condivisa. In passato, i test sulle antenne a schiera di fase a 28 GHz e 39 GHz richiedevano camere anecoiche grandi e costose. La diffusione capillare del 5G ha portato allo sviluppo di soluzioni di test OTA pronte all'uso a prezzi accessibili, che le aziende del settore della difesa possono utilizzare per risolvere rapidamente i problemi di sviluppo dei prodotti senza dover ricorrere a ingenti investimenti di capitale. La disponibilità di componenti costitutivi collaudati e pronti per le applicazioni consente agli studi di progettazione di tutte le dimensioni di affrontare la tecnologia mmWave come un sottosistema gestibile, facilitando l'avanzamento di una promettente applicazione mmWave dal diagramma a blocchi all'hardware implementabile.

Innovazioni dello spettro

Per diversi decenni, l'innovazione wireless si è basata su due approcci fondamentalmente diversi: codificare più informazioni in ogni stato di segnale distinto (simbolo) o espandere lo spazio spettrale disponibile per il trasporto delle informazioni.

Gli schemi di modulazione più semplici privilegiano la robustezza e l'integrità del segnale, mentre quelli più complessi aumentano il throughput dei dati trasmettendo bit aggiuntivi per simbolo. La modulazione di base rappresenta ciascun simbolo con una piccola quantità di informazioni, come un singolo bit. I progettisti possono migliorare le prestazioni del sistema codificando più informazioni per simbolo utilizzando schemi di modulazione più complessi come QAM o accedendo a canali spettrali più ampi nelle bande mmWave a più alta frequenza.

La modulazione determina il modo in cui i dati vengono impacchettati su una portante, ma è l'amplificatore di potenza (PA) a garantire che i bit di dati raggiungano la destinazione prevista. Nel 5G commerciale, i PA privilegiano l'efficienza e la linearità all'interno di bande di frequenza specifiche per supportare gli array in fase ad alto throughput. I sistemi militari, tuttavia, puntano solitamente a una gamma più ampia di frequenze e a una maggiore potenza per migliorare la chiarezza dei radar, le comunicazioni satellitari e la facilità d'uso.

Anche con una modulazione sempre più sofisticata, esistono dei limiti fondamentali alla quantità di dati che può essere spinta attraverso una determinata banda di frequenza portante (F_C). Un principio fondamentale è che il throughput dei dati è direttamente legato alla larghezza del canale, ovvero alla larghezza di banda del segnale modulato (F_BW). Per raggiungere velocità dati più elevate sono necessari canali a frequenza portante più ampia, come se si passasse da una strada affollata a una sola corsia a una superstrada a dieci corsie (Figura 1).

Figura 1: Rappresentazione della larghezza di banda di modulazione centrata su una frequenza portante. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Occorre inoltre prendere in considerazione il limite c.c., che impone che un segnale non possa estendersi al di sotto di 0 Hz. Quando un segnale è modulato, si diffonde intorno alla sua frequenza portante in quelle che gli ingegneri chiamano bande laterali. Ma se la frequenza portante è troppo bassa, una parte di questo segnale si estenderebbe teoricamente al di sotto di quel limite, il che è fisicamente impossibile. Pertanto, gli ingegneri devono alzare la frequenza portante a frequenze più alte, come quelle delle bande mmWave, per garantire che il segnale completo rientri comodamente in uno spettro utilizzabile. Questa "limitazione assoluta" nel funzionamento ad alta frequenza è ciò che rende possibile la creazione di canali ampi e ad alta velocità.

Questi due principi insieme aiutano a spiegare perché i progettisti stanno ricorrendo alle frequenze mmWave sia per i sistemi 5G commerciali che per quelli di difesa. Una volta che la complessità della modulazione raggiunge limiti pratici, l'unico modo per aumentare significativamente il throughput è spostare la portante a una frequenza più elevata e aprire corsie spettrali molto più ampie. Il passaggio alla tecnologia mmWave, quindi, non è solo una tendenza: è un requisito fisico necessario per raggiungere le altissime velocità dati e il rilevamento ad alta risoluzione richiesti dalle applicazioni moderne.

Superare le sfide di progettazione

La transizione alle frequenze mmWave ridefinisce la progettazione fisica dell'hardware wireless in modi che interessano sia i sistemi commerciali che quelli di difesa:

• Le frequenze più elevate comprimono le lunghezze d'onda, consentendo la miniaturizzazione delle antenne. Questa miniaturizzazione consente di integrare direttamente gli array sui chip o su moduli compatti.
• Le lunghezze d'onda più corte producono fasci più stretti, migliorando la risoluzione angolare. Ciò significa che i radar possono distinguere bersagli a distanza ravvicinata e le stazioni base 5G possono concentrare con precisione l'energia sui singoli utenti.
• L'ampia diffusione commerciale di queste tecnologie ha portato a uno spostamento verso la tecnologia a montaggio superficiale (SMT). La tecnologia SMT supporta la produzione automatizzata di moduli altamente integrati in contenitori in plastica o ceramici.

Questi cambiamenti fondamentali presentano sia opportunità che nuove sfide ingegneristiche per i progettisti che realizzano sistemi mmWave, come ad esempio:

• Il funzionamento ad alta frequenza, che comporta un aumento della perdita di percorso, una riduzione dell'efficienza dell'antenna e una maggiore sensibilità alla non linearità, agli effetti termici e ai problemi di layout delle correnti parassite.
• I requisiti di ampia larghezza di banda, che impongono requisiti rigorosi sui componenti front-end RF, mentre i vincoli a livello di sistema, come la formazione del fascio a schiera di fase per il 5G o i radar ad alta risoluzione per la difesa, complicano ulteriormente il processo di progettazione.

I progettisti commerciali devono trovare un equilibrio tra efficienza, linearità e integrazione per supportare la vasta infrastruttura 5G su larga scala. I progettisti della difesa, invece, hanno spesso bisogno di una potenza di uscita più elevata, di una larghezza di banda più ampia e di un funzionamento adattabile su più bande per radar, comunicazioni satellitari e comunicazioni tattiche.

Gli ingegneri devono scegliere tra circuiti integrati specializzati. La scelta dipende spesso dal fatto che l'applicazione dia la priorità all'ottimizzazione delle prestazioni o alla versatilità operativa.

Alle frequenze mmWave, la perdita di percorso aumenta significativamente e gli schemi di modulazione di ordine superiore sono più suscettibili alla distorsione. Di conseguenza, per il 5G commerciale è fondamentale garantire che le antenne a schiera di fase forniscano in modo efficiente un throughput elevato nelle rispettive bande. Anche i sistemi militari devono affrontare sfide simili, sebbene per questi l'obiettivo principale sia spesso la massimizzazione della potenza di uscita per la portata del radar o per i collegamenti di comunicazione satellitare (SATCOM).

Per rispondere a queste esigenze, HMC863ALC4 di ADI offre un PA ottimizzato per la banda che può essere sintonizzato per ottenere il massimo rendimento in una banda stretta compresa tra 24 GHz e 29,5 GHz per le applicazioni 5G. Vanta un'elevata linearità, un guadagno di 17 dB, una potenza di uscita di +21 dBm e un'efficienza di potenza aggiunta (o PAE, ovvero la potenza RF aggiuntiva prodotta rispetto alla potenza c.c. consumata) del 22,5%. Alloggiate in un contenitore SMT compatto di 4 × 4 mm, queste caratteristiche consentono ai progettisti commerciali di mantenere un throughput robusto, supportando al contempo i processi di assemblaggio automatizzati. La scheda di valutazione EV1HMC863ALC4 (Figura 2) offre ai progettisti una piattaforma hardware per convalidare le prestazioni del PA, il comportamento termico, la rete di polarizzazione e la configurazione della misurazione prima di impegnarsi con uno specifico front-end RF.

Figura 2: EV1HMC863ALC4 offre una piattaforma di valutazione per caratterizzare le prestazioni reali delle applicazioni a banda stretta mmWave. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

I progettisti del settore della difesa spesso operano su larghezze di banda più ampie per ottenere un'elevata risoluzione radar o comunicazioni multibanda, e possono sacrificare l'efficienza per raggiungere questo obiettivo. In questi casi, il PA ADPA7005CHIP offre un ampio intervallo di funzionamento da 20 GHz a 44 GHz e raggiunge tipicamente un valore PAE compreso tra l'8% e il 13% a seconda della sottobanda di frequenza. Offre una potenza di uscita di +33 dBm, un guadagno di 14 dB e un'efficienza c.c.-RF semplice del 45%, il tutto incapsulato in un contenitore SMT compatto di 7 × 7 mm, che semplifica l'integrazione in moduli compatti. L'ampia copertura e l'elevata potenza di questo dispositivo lo rendono adatto ad applicazioni di difesa flessibili e ad alte prestazioni, dal radar ad alta risoluzione alle comunicazioni a lungo raggio. La piattaforma di test ADPA7005-EVALZ (Figura 3) incorpora un dissipatore di calore che aiuta a fornire dissipazione termica durante lo sviluppo di progetti più complessi per le applicazioni mmWave a banda larga.

Figura 3: La scheda di valutazione EVAL-ADPA7005AEHZ facilita lo sviluppo di applicazioni mmWave a banda larga più complesse. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Conclusione

Il passaggio alle frequenze mmWave rappresenta un cambiamento critico nella tecnologia delle comunicazioni globali e della difesa. Che si tratti di infrastrutture a schiera di fase 5G o di sistemi EW compatti, l'integrazione di moduli mmWave richiede componenti che supportino l'assemblaggio ripetibile automatizzato, mantenendo al contempo le prestazioni termiche e di segnale. L'utilizzo dei componenti PA di ADI, progettati con un'attenta considerazione per fattori quali larghezza di banda, linearità ed efficienza, consente ai progettisti di soddisfare le esigenze dei sistemi mmWave per applicazioni sia commerciali che militari.