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5G
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- ELETTRONICA OGGI 466 - NOVEMBRE/DICEMBRE 2017
consentendo un’allocazione cooperativa delle reti virtuali
tra i continenti, che renda il roaming 5G totalmente traspa-
rente agli utenti.
MIMO estremo e una miriade di sfide
I sistemi 5G funzionanti sotto i 6 GHz e a onde millimetri-
che si baseranno su tecnologie con antenne a scansione
di fase (phased array) per ottimizzare il canale e la veloci-
tà di trasmissione, beneficiando di un elevato numero di
elementi di antenna configurati in estese architetture con
ingressi e uscite multiple (MIMO). Laddove le stazioni base
potevano ospitare da due a otto trasmettitori e ricevitori, i
sistemi MIMO a parallelismo estremo (massive MIMO) pos-
sono essere popolati con 64 elementi ricetrasmittenti, sca-
labili fino a 128 o 256 elementi. Queste configurazioni di
schiere di antenne aumentano il numero di percorsi dispo-
nibili per la comunicazione, consentendo di massimizzare
così la velocità di trasmissione dei dati. Inoltre, abilitano
delle modalità avanzate di formatura del fascio che sono
fondamentali nel paradigma di sviluppo 5G. Tuttavia, la
complessità e la densità di questi sistemi pone numerose
sfide di progetto e di assemblaggio.
I sistemi MIMO a elevato parallelismo richiedono l’utiliz-
zo stadi front-end compatti, data la riduzione dello spazio
esistente tra i singoli elementi in configurazioni di antenne
altamente ravvicinate, in particolare alle alte frequenze. Di
conseguenza, si creano complicazioni a livello termico, dato
che si genera una significativa potenza RF (in alcuni casi
fino a 5W per elemento) da dissipare in uno spazio ridot-
to. Un’altra delle sfide principali è l’assemblaggio dell’unità
finale. Una matrice di 64 antenne include 64 amplificatori
di potenza, switch, amplificatori a basso rumore e così via.
Questo elevatissimo numero di componenti e interfacce a
radiofrequenza crea il rischio concreto di una bassa resa
finale in fase di assemblaggio. Sebbene alcuni integratori
che realizzano stazioni base siano equipaggiati per assem-
blare migliaia di componenti e di gestire l’incapsulamento
dei circuiti stampati in casa, altri integratori optano per la
complessità ridotta e a basso rischio, offrendo ai clienti mo-
duli completamente assemblati da impiegare come blocchi
funzionali nelle loro radio. Grazie alla struttura gerarchica, i
guasti sono ricondotti a uno dei 64 sottosistemi, rendendo
più facile la correzione delle schede, in confronto al rischio
che un singolo guasto possa compromettere tutto il sistema
costituito da migliaia di componenti,
Vantaggi della quarta generazione GaN
A livello di semiconduttori, la quarta generazione di di-
spositivi in nitruro di gallio su silicio sta emergendo come
il chiaro successore del LDMOS per la prossima genera-
zione di stazioni base per l’utilizzo 5G, in particolare a fre-
quenze dai 3,5 GHz, dove la soluzione LDMOS è vincolata
da limiti tecnologici intrinseci. La quarta generazione del-
la tecnologia GaN ha già dimostrato la supremazia sulla
LDMOS nelle infrastrutture 4G LTE consolidate, offrendo
vantaggi evidenti in termini di densità di potenza, com-
pattezza ed efficienza energetica, nonché in una prospet-
tiva di riduzione dei costi. Infatti, la tecnologia GaN di
quarta generazione offre una densità di potenza grezza
considerevolmente maggiore di quanto raggiungibile dal-
la LDMOS, con una potenza per unità di area maggiore
da quattro a sei volte, che consente una corrispondente
riduzione da un quarto a un sesto dell’area occupata dal
dispositivo. Tale elevata densità di potenza consente la
realizzazione di dispositivi più compatti e quindi perfetti
per l’impiego in sistemi di antenne per MIMO a paralle-
lismo estremo. Inoltre, l’efficienza offerta è maggiore del
10%. Quando adeguatamente sfruttata, questa maggiore
efficienza può avere un impatto significativo a livello di
sistema in applicazioni 5G commerciali, in particolare in
sistemi articolati in cui diversi livelli di packaging richie-
dono soluzioni termiche speciali, come quelle offerte da
questa tecnologia, che può operare a temperature di giun-
zione maggiori. Infine, i progettisti possono ottenere di-
spositivi operanti a bande maggiori, chiaramente fon-
damentali per spostarsi a frequenze maggiori, in cui la
banda disponibile è più ampia e diversi schemi di aggre-
gazione delle portanti possono essere implementati in
modo versatile.
Dato che gli amplificatori di potenza in GaN coprono una
banda molto più larga di quella offerta dai corrispettivi re-
alizzati in LDMOS, essi riducono il numero di componenti
necessari per coprire la maggior parte delle bande di tele-
fonia mobile nelle stazioni base 5G.
Fig. 1 – L’architettura MPAR integrate in questo Tile SPAR è adatta per
sistemi 5G MIMO a parallelismo estremo (massive MIMO)