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I sistemi di comunicazione a onde millimetriche (mmWave) hanno attirato un notevole interesse, come ad esempio per quanto riguarda la futura rete 5G.
I sistemi mmWave hanno un range di frequenza compreso tra 30 e 300 GHz, in cui sono disponibili larghezze di banda fino a circa 250 GHz.
Sebbene la disponibilità di larghezza di banda delle frequenze mmWave sia promettente, le caratteristiche di propagazione sono significativamente diverse dalle bande di frequenza delle microonde in termini di perdita di percorso, diffrazione, attenuazione da pioggia e assorbimento atmosferico. In generale, la perdita di potenza RF complessiva dei sistemi mmWave è significativamente maggiore di quella dei sistemi a microonde nei collegamenti punto-punto. Tuttavia, le piccole lunghezze d’onda delle frequenze mmWave consentono di distribuire un gran numero di elementi dell’antenna nello stesso fattore di forma, fornendo così guadagni di elaborazione spaziale elevati che possono teoricamente compensare almeno la perdita del percorso isotropico. Tuttavia, poiché i sistemi mmWave sono dotati di diverse tipologie tecnologiche di dispositivi, sorgono una serie di sfide di progettazione e implementazioni per mantenere alte le prestazioni dei sistemi mmWave. In questo articolo descriveremo le tecnologie costruttive, le prestazioni e le criticità dei sistemi basati sulle mmWave.
Introduzione
Le frequenze delle onde millimetriche da 30 GHz a 300 GHz, vengono utilizzate per molte applicazioni nel mondo moderno. Queste applicazioni includono radioastronomia, telerilevamento, radar per automotive, applicazioni militari, imaging, screening di sicurezza e telecomunicazioni. Esistono vari standard di telecomunicazione che specificano la frequenza portante nella gamma delle frequenza mmW fra le quali la 802.11ad che specifica la frequenza di 60 GHz per le applicazioni WLAN. In questi standard, si utilizzano efficienti e complessi schemi spettrali di modulazione di frequenza per ottenere velocità di dati molto elevate, come le modulazioni di ampiezza in quadratura di ordine elevato (QAM) e il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM), che producono un elevato rapporto di potenza di picco-medio (PAPR) del segnale da trasmettere. Gli amplificatori di potenza convenzionali con segnali di ingresso modulati con PAPR elevati hanno una bassa efficienza energetica. Esistono diverse tecniche per migliorare l’efficienza degli amplificatori di potenza nei sistemi di trasmissione con un segnale PAPR elevato. Tracciamento dell’inviluppo, eliminazione e ripristino dell’inviluppo e amplificazione lineare con componenti non lineari, sono alcune delle architetture utilizzate per affrontare la bassa efficienza dell’amplificatore in presenza di segnali PAPR elevati nelle comunicazioni wireless.
Tecnologie e architetture delle mmWave
Le caratteristiche uniche delle mmWave, come la penetrazione attraverso la nebbia, pioggia e nuvole, possono consentire una varietà di applicazioni, come ad esempio l’operatività di radar e sensori in tutte le stagioni. L’ampia larghezza di banda delle mmWave le rende anche molto interessanti nelle comunicazioni wireless e satellitari ad altissima velocità.
In tutti i sistemi mmWave, gli amplificatori di potenza (PA) sono uno dei componenti più impegnativi a causa dei requisiti sia di elevata potenza di uscita che di elevata efficienza energetica. Convenzionalmente, gli amplificatori mmWave si basano principalmente su dispositivi semiconduttori composti. Tuttavia, i processi semiconduttori esistenti non sono adatti a supportare circuiti digitali integrati su larga scala, che sono indispensabili per il sistema su chip. Pertanto, l’integrazione multichip diventa inevitabile, portando a un grande fattore di forma dei sistemi. Inoltre, l’integrazione tra chip introduce anche la necessità di circuiti di interfaccia complicati, che non solo consumano alta potenza, ma influiscono anche sull’affidabilità del sistema poiché sono più sensibili alle variazioni di processo e ai cambiamenti ambientali.
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La tecnologia dei circuiti integrati al silicio, in particolare le tecnologie CMOS, presenta i vantaggi di integrazione di alto livello, fattore di forma ridotto e un potenziale basso costo. Pertanto, i circuiti CMOS mmWave hanno il potenziale di attirare un grande interesse nel settore della ricerca. Il PA CMOS mmWave è una delle sfide chiave per lo sviluppo di sistemi integrati CMOS mmWave a causa dell’elevata erogazione di potenza e dei requisiti di alta efficienza, nonostante i meccanismi ad alta perdita e le basse tensioni di rottura nelle tecnologie costruttive CMOS. Fino ad oggi, i ricercatori di tutto il mondo hanno compiuto progressi significativi negli amplificatori mmWave, come i PA al silicio in banda V e i PA in silicio in banda E e W. Per aumentare ulteriormente la potenza di uscita e l’efficienza energetica dei PA CMOS mmWave, gli svantaggi inerenti ai processi al silicio devono essere superati in modo efficiente. Innanzitutto, è difficile implementare PA mmWave in modalità di commutazione nei processi CMOS a causa dei vincoli di velocità. Ad esempio, la frequenza di taglio e massima dei dispositivi nelle tecnologie CMOS a 65 nm, sono di circa 200 GHz. Ciò non fornisce un margine sufficiente per elaborare i segnali in tutta la banda delle mmWave. Pertanto, i PA in modalità switching potrebbero non funzionare in modo efficiente alle alte frequenze come invece avviene a frequenze RF inferiori. Quindi, i PA mmWave vengono utilizzati principalmente in classe A/AB, il che influisce sull’efficienza dei PA.
In secondo luogo, le perdite nella tecnologia al silicio, comprese le perdite di accoppiamento del substrato, le perdite di accoppiamento elettrico e magnetico di interconnessione e le perdite ohmiche, degradano ulteriormente l’efficienza dei PA. Queste perdite richiedono un’attenta ottimizzazione e una progettazione sofisticata dei dispositivi attivi e passivi per i PA ad alta frequenza.
In terzo luogo, la bassa tensione di rottura nelle tecnologie CMOS submicroniche profonde, limita anche la potenza massima che può essere estratta dal dispositivo. La riduzione dell’impedenza di uscita può aumentare la potenza di uscita, ma a scapito di una bassa efficienza per le maggiori perdite causate dal disadattamento dell’impedenza. Di conseguenza, tale ottimizzazione porta a compromessi tra elevata potenza di uscita e alta efficienza. Per mitigare questo problema, sono ampiamente adottate strutture architetturale che prevedono la combinazione di più canali PA.
Le mmWave e il 5G
Con il rapido aumento delle richieste di traffico mobile, il collo di bottiglia tra vincoli di spettro delle frequenze e i requisiti di capacità, stà diventando sempre più evidente e il requisito di larghezza di banda è fondamentale per le telecomunicazioni 5G, quindi l’impiego delle mmWave con una grande larghezza di banda nel range da 30 GHz a 300 GHz, vengono utilizzate nei servizi di comunicazione multi-gigabit per applicazioni 5G, come la televisione ad alta definizione (HDTV) e video ad altissima definizione (UHDV). Effettivamente, le ricerche si sono concentrate sulle frequenze da 24 GHz a 100 GHz.
In Figura 1 è riportata una sezione dello spettro di frequenze dalle microonde alle onde millimetriche al cui interno si trovano le frequenze della rete 4G e 5G.
Figura 1 – Spettro di frequenze 4G e 5G
Sono previsti rapidi progressi nell’hardware in questo range di frequenze, come dispositivi a radiofrequenza mmWave basati sulla tecnologia CMOS. Nel frattempo sono stati definiti alcuni standard per reti locali wireless (WLAN) o reti wireless personali (WPAN), come la 802.15.3c e la 802.11ad. A causa di differenze strutturali tra i sistemi convenzionali compatibili con la banda delle microonde (ad esempio 2.4 GHz e 5 GHz) e le comunicazioni mmWave, le mmWave presentano molte difficoltà nei layer di instradamento, controllo di accesso medio (MAC) e fisico (PHY). Nuove studi e ricerche sono necessari nelle architetture e nei protocolli mmWave per gestire le crescenti sfide, come sensibilità, direttività, alta perdita di propagazione e dinamica, efficienza energetica. In Figura 2 un esempio di architettura di rete 5G.
Figura 2 – Esempio di architettura di rete 5G (IEICE TRANS.COMMUN.)
Un esempio di applicazione mmWave – I radar interferometrici
Un esempio di applicazione delle mmWave sono i radar interferometrici per la valutazione e il monitoraggio delle infrastrutture civili. I radar interferometrici ad onde millimetriche forniscono un mezzo per l’analisi e il monitoraggio da remoto e senza contatto di strutture attraverso interazioni elettromagnetiche controllate (EM). Le strutture metalliche e non metalliche riflettono e disperdono le onde EM che colpiscono le superfici esterne. I materiali non metallici, cioè dielettrici, consentono alle onde EM di penetrare nella superficie e di disperdere o riflettere su oggetti e caratteristiche del sottosuolo. La misurazione attiva della riflettività e della dispersione della superficie e del sottosuolo mediante il lancio e la ricezione controllati delle onde EM, fornisce informazioni che, se opportunamente elaborate, possono indicare la geometria delle caratteristiche della superficie e del sottosuolo, le proprietà del materiale e le condizioni strutturali generali. Questi test tecnici EM attivi sono spesso chiamati “Ground Penetrating Radar” per frequenze delle onde EM inferiori a circa 10 GHz e metodi “Millimeter Wave” per quelle a frequenze più alte come le mmWave. In Figura 3 sono riportati esempi di radar interferometrici terrestri.
Figura 3 – Esempi di radar interferometrici terrestri (INGENIO)
Conclusioni
I sistemi di comunicazione mmWave si stanno trasformando in una piattaforma promettente per le comunicazioni 5G con un potenziale di sviluppo maggiore rispetto ai sistemi di comunicazione convenzionali. In questo articolo è stata effettuata una panoramica sulle tecnologie delle mmWave, non trascurando di evidenziarne alcune criticità incentrate soprattutto sulle limitazioni prestazionali e tecnologiche dei componenti dell’architettura di sistema delle mmWave, in particolar modo alle alte frequenze. La possibilità di rendere convenientemente economica e facilmente applicabile la tecnologia delle mmWave, dipenderà anche dall’evoluzione tecnologica dei dispositivi e componenti che costituiscono le architetture dei sistemi. Ciò significa che incessante dovrà essere l’impegno nel settore della ricerca e dello sviluppo tecnologico in tutti i settori coinvolti; anche le aziende costruttrici di hardware e software dovranno fare la loro parte in questo scenario futuristico contribuendo con investimenti mirati in tutti i campi riguardanti lo sviluppo delle mmWave.
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