Сети 5G становятся все более распространенными во всем мире. Многие потребительские устройства, поддерживающие 5G, уже выигрывают от увеличения скорости и снижения задержки. Однако некоторые полосы частот, выделенные для 5G, используются неэффективно из-за технологических ограничений. Эти полосы частот включают полосу New Radio (NR) 39 ГГц, но фактически охватывают диапазон от 37 ГГц до 43,5 ГГц, в зависимости от страны. Диапазон NR предлагает заметные преимущества в производительности по сравнению с другими низкочастотными диапазонами, которые сегодня используются в сетях 5G. Например, он обеспечивает сверхнизкую задержку при обмене данными, а также скорость передачи данных более 10 Гбит/с и огромную емкость для размещения нескольких пользователей.
Однако за эти подвиги приходится платить. Высокочастотные сигналы быстро затухают при прохождении через пространство. Поэтому крайне важно, чтобы передаваемая мощность была сосредоточена в узком луче, направленном непосредственно на приемник. В принципе, этого можно достичь с помощью формирователей луча с фазированной решеткой, передающих устройств, состоящих из решетки тщательно управляемых по фазе антенн. Однако работа в высокочастотных областях диапазона NR снижает эффективность усилителей мощности, поскольку они склонны страдать от проблем нелинейности, которые искажают передаваемый сигнал.
Для решения этих проблем группа исследователей во главе с профессором Кеничи Окада из Токийского технологического института (Tokyo Tech), Япония, недавно разработала новый формирователь луча с фазированной решеткой для базовых станций 5G. Их конструкция адаптирует два хорошо известных метода, а именно усилитель Доэрти и цифровое предварительное искажение (DPD), в приемопередатчик с фазированной решеткой миллиметрового диапазона, но с некоторыми особенностями. Исследователи представят свои выводы на предстоящем в 2022 году симпозиуме IEEE по технологиям и схемам СБИС.
Усилитель Доэрти, разработанный в 1936 году, стал свидетелем возрождения в современных телекоммуникационных устройствах благодаря своей хорошей энергоэффективности и пригодности для сигналов с высоким отношением пикового значения к среднему (таких как сигналы 5G). Команда Tokyo Tech модифицировала обычную конструкцию усилителя Доэрти и создала двунаправленный усилитель. Это означает, что одна и та же схема может усиливать как передаваемый сигнал, так и принимаемый сигнал с низким уровнем шума. Это выполнило решающую роль усиления как для передачи, так и для приема.
«Предлагаемая нами двунаправленная реализация усилителя очень компактна. Кроме того, благодаря совместному дизайну с технологией упаковки микросхем на уровне пластины, она обеспечивает низкие вносимые потери. Это означает, что при прохождении сигнала теряется меньше энергии. усилитель», — объясняет профессор Окада.
Однако, несмотря на ряд своих преимуществ, усилитель Доэрти может усугубить проблемы нелинейности, возникающие из-за рассогласования в элементах фазированной антенной решетки. Команда решила эту проблему двумя способами.
Во-первых, они использовали метод DPD, который включает в себя искажение сигнала перед передачей, чтобы эффективно компенсировать искажения, вносимые усилителем. В их реализации, в отличие от традиционных подходов DPD, использовалась общая справочная таблица (LUT) для всех антенн, что сводило к минимуму сложность схемы.
Во-вторых, они ввели в фазированную решетку возможности компенсации рассогласования между элементами, улучшив ее общую линейность. «Мы сравнили предлагаемое устройство с другими современными приемопередатчиками с фазированной антенной решеткой 5G и обнаружили, что за счет компенсации межэлементных несоответствий в модуле DPD с общей LUT наши демонстрируют меньшую утечку по соседнему каналу и ошибку передачи, — замечает профессор Окада. «Мы надеемся, что устройство и методы, описанные в этом исследовании, позволят нам всем быстрее воспользоваться преимуществами 5G NR».
