Радиочастотная фильтрация для 5G устройств миллиметровых волн. Часть 2
Мы также обсудили некоторые проблемы, сопутствующие использованию миллиметровых частот, такие как ограничения дальности, вызванные потерями распространения. Однако последние улучшения в mmWave системах сделали эти частоты коммерчески привлекательной перспективой и превратили некоторые из недостатков в ключевые возможности в архитектуре системы. Например, короткие пути передачи и увеличенные потери распространения позволяют повторное использование спектра. А установленная способность mmWave в двухпунктовой коммуникации быть четко сфокусированной в лучи позволяет силе сигнала быть направленной точно туда, куда нужно, снижая помехи, и также позволяя множественным лучам комбинироваться, давая в результате увеличенную дальность.
Согласно Всемирной Конференции Радиосвязи в 2015 (World Radio Communication Conference - WRC-15), ITU выпустил резолюцию, касающуюся «возможных дополнительных распределений мобильных услуг на первичной основе в части(ях) диапазона частот между 24,25 и 86 ГГц для будущего развития международных мобильных телекоммуникаций на 2020 год и последующий период», включая следующий список частот : 24,25-27,5 ГГц, 31.8-33.4ГГц, 37-40.5ГГц, 40.5-42.5ГГц, 45.550.2ГГц, 50.4-52.6ГГц, 66-76ГГц, 81-86ГГц.[1]
После этого группа частот стала главными кандидатами для mmWave устройств в 5G: 28 ГГц, 38 ГГц, и 72 ГГц. Эти частоты были выбраны, потому что у них есть следующие преимущества [4]:
• Снижение скорости поглощения кислорода по сравнению с другими mmWave частотами
• Показали хорошую работу в средах с распространением по множеству путей, что позволяет использовать их в системах связи, не входящих в зону прямой видимости (NLOS).
• Продемонстрировали хорошую работу с направленными антеннами, формированием луча и отслеживанием луча.
Потенциал использования mmWave в 5G
Концептуально включить 28 ГГц в mmWave представляется удобным для всей отрасли - технически (согласно ITU) 28 ГГц фактически попадают в диапазон сантиметровых волн. В контексте 5G mmWave теперь используется для обозначения лицензированных полос, таких как 28 ГГц (США) и 38 ГГц (Корея) с добавлением нелицензионного спектра до 60 ГГц.
Подробное обсуждение потенциальных вариантов использования описано в статье 2017 года «Где, когда и как используются миллиметровые волны в 5G и за его пределами» [5].
Идея фиксированного беспроводного доступа заключается в том, что mmWave радио может обеспечить высокоскоростные подключения для дома и бизнеса. Подумывают о том, чтобы заменить кабели и волокно радиосвязью. Коммерческие запуск в 2018 в США был на 28ГГц, и есть разговор о пробных запусках в Японии на 60 ГГц. Кроме того, ведется обсуждение о размещении точек доступа, например, в автобусах.
60 ГГц внутренний доступ с мобильными периферийными вычислениями (Mobile Edge Computing)
В статье обсуждается использование 60 ГГц в таких локациях как аэропорты в попытке поддерживать приложения, интенсивно использующие данные, такие как дополненная реальность (AR).
mmWave сотовые сети для p-RAN
Этот сценарий включает развертывание станций на основе mmWave в качестве наложения на существующие соты LTE в плотной городской среде для обеспечения достаточной полосы пропускания. Предполагается, что 6-миллиметровый шлюз mmWave обеспечит транзитную передачу для множества малых ячеек mmWave в рамках подхода с ячеистой сетью.
V2V/V2X на основе mmWave для автоматизированного вождения
Вероятно, в самом отдаленном случае использования, описанном в данной статье, mmWave сеть используется для поддержания автомобилей без водителя в приложениях «Автомобиль на автомобиль» (V2V) и «Автомобиль на все» (V2X).
С этой точки зрения мы можем видеть, что mmWave частоты должны быть частью изменений, которые 5G принесет в ближайшие несколько лет. Различные варианты использования технологий миллиметровых волн создают разнообразный спектр устройств и приложений – каждое из которых привносит свой набор изменений, когда дело доходит до внедрения систем в надежном варианте.
Так как мы здесь в Knowles Precision Devices увидели, что фильтрация играет ключевую роль в некоторых из наиболее распространенных вариантах использования mmWave частот, мы считаем, что фильтрация будет и дальше являться одним из ключевых компонентов разработки в технологии радиодоступа в 5G. Теперь обратимся к опциям технологии mmWave фильтрации.
ФИЛЬТРЫ В MMWAVE УСТРОЙСТВАХ
Здесь мы предлагаем обзор некоторых технологий, использующихся в индустрии на сегодняшний день и в целом доступны у более чем одного производителя. Это последний фактор важен, когда необходимы некоторые более экспериментальные альтернативы – наш собственный подход заключается в обеспечении надежного основания на базе известных реализаций, доказавших свою надежность.
На чипе или без чипа?
Когда мы занимается опциями фильтрации для mmWave RF систем, на ранних этапах возникает проблема выбора между технологией на-чипе (например, интегрированный в RFIC) или без-чипа (фильтрация вне RFIC с поверхностно монтируемыми компонентами или соединенными решениями).
На этих частотах для решений на-чипе обычными полупроводниковыми технологиями являются Кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs). Зачастую желательно использовать решения на-чипе не только из-за компактности схем, но и из-за надежности фильтров на-чипе, так как производственные допуски являются допусками производственного процесса полупроводников. Интегрирование фильтров на-чипе с другими устройствами для формирования решения системы-на-чипе (SoC) обычно выполняется до 6 ГГц, что серьезно снижает физический размер беспроводной системы.
Однако, уменьшение размеров устройств, работающих на миллиметровых волнах, по сравнению с устройствами на 3 ГГц может сделать проблематичными соединения между устройствами, а актуальные сегодня реализации на-чипе имеют ограничения, когда дело касается фактора качества (Q), потерь и коэффициента шума (NF). Высокая изоляция и низкие потери могут быть проблемой для фильтрации на-чипе, и когда самоинтерференционный TX находится в той же полосе, что и RX, сосредоточенная фильтрация часто непрактична для решений на-чипе, и обычно требуется дуплексер без-чипа.
Проблемы с внедрением высокоэффективных фильтрационных структур на-чипе возникают из различных факторов, включая физические характеристики материала полупроводника и стоимость реализации. Например, в нитриде галлия (GaN) целью является создание максимально возможно тонких схем для стимулирования рассеивания тепла, необходимого для высокой мощности, на которую способен GaN. Однако Q структуры фильтра пропорционален толщине диэлектрической подложки, то есть в GaN это значит, что преимущество материла (высокая мощность) играет против создания фильтров с высоким Q. Кроме того, зазор, требующийся для реализации фильтра в GaN, занимает ценное пространство на плате, которое может быть использовано для гораздо более выгодных активных систем, таких как усилители. На момент написания статьи создание фильтров на-чипе с достаточно высоким Q для использования в устройстве на переднем крае оказалось непрактичным.
Наше исследование теперь сфокусировалось на технологиях фильтрации без-чипа, но чтобы двигаться дальше, стоит иметь ввиду некоторые преимущества системы на-чипе (уменьшенный размер, повторяемое и надёжное производство).