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COMM 5G MMWAVE 3GPP, le frequenze a onde millimetriche tra i 24,25 GHz e i 52,6 GHz sono state assegnate alle applicazioni per telefonia mobile cellulare. Questo nuovo campo di frequenze è definito FR2, a differenza di quello sub-6 GHz denominato FR1. Nel campo FR2 sono disponibili porzioni di spettromoltopiùampie, rispettoaFR1.Unsingolocanale in FR2 potrebbe arrivare a una larghezza di 400 MHz, consentendo un throughput senza precedenti. Tuttavia, l’utilizzo di frequenze mmWave introduce nuove sfide d’implementazione, sia nella stazione base (Base Station, BS) che nell’apparato utente (User Equipment, UE). Le più significative consistono in perdite di canale più elevate e potenze d’uscita del PA (Power Amplifier) più basse, rendendo più difficile la realizzazione del collegamento tra la stazione base e l’UE. La perdita di percorso tra BS e UE è definita da P l [ dB ] = 10 log 10 ( P t /P r ), dove P t e P r sono, rispettivamente, la potenza di trasmissione e ricezione. In spazio libero, la potenza ricevuta è una funzione dipendente da distanza e lunghezza d’onda, nota anche come formula di Friis, dove P r (d, ) = P t G t G r ( λ/4πd)², e G t e G r indicano rispettivamente il guadagno dell’antenna trasmittente e ricevente. λ rappresenta la lunghezza d’onda e “d” la distanza tra trasmettitore e ricevitore. In un tipico ambiente di comunicazione wireless, a causa della riflessione degli oggetti circostanti e della perdita attraverso le strutture dell’edificio, la perdita di percorso risultamolto più difficile da modellizzare e stimare. Tuttavia, per comprendere la perdita di percorso più elevata delle frequenze mmWave in confronto alle sub-6 GHz, partiamo dal presupposto di avere una propagazione in spazio libero, guadagni d’antenna equiparabili e la stessa distanza tra BS e UE. Usando questo approccio, la perdita di percorso a 28 GHz, in confronto a 900 MHz, è di 10xlog(28.000/900)² = 29,8 dB più alta! Per gli amplificatori di potenza delle BS a frequenze sub- 6 GHz, non è raro emettere potenze RF di decine di watt con efficienze superiori al 40%. Ciò è dovuto all’adozione di architetture PA ad alta efficienza quali la Doherty e all’utilizzo di tecniche avanzate di predistorsione digitale. Di contro, i PA mmWave ad alta linearità in classe AB erogano tipicamente una potenza RF inferiore a 1 W e presentano livelli di efficienza a singola cifra. A frequenze mmWave, queste condizioni operative esasperano i problemi di budget relativi al collegamento tra BS e UE. La soluzione a entrambe le sfide – la perdita di percorso più elevata e la potenza più bassa per PA – consiste nell’indirizzare più accuratamente la potenza verso posizioni specifiche nello spazio. Questo si ottiene usando antenne attive di tipo phased array, con capacità di beamforming e beamsteering. Array di antenne nel 5G mmWave Gli array di antenne non sono un concetto nuovo. Nelle antenne delle stazioni base per la telefonia cellulare, gli array passivi sono presenti sin dai primi anni dello sviluppo del GSM e i sistemi radar sono utilizzati da diversi decenni. Come si è detto in precedenza, la soluzione alla perdita di percorso più elevata e alla potenza del PA inferiore su frequenze mmWave consiste nell’utilizzo di antenne attive di tipo phased array. Ciò si ottiene collocandomolti elementi di antenna in un array, nel quale ciascun elemento viene pilotato da un PA a bassa potenza. L’uso di più elementi aumenta la potenza complessiva irradiata dall’array, migliorandone il guadagno e nello stesso tempo assottigliando il beam di emissione che ne risulta. Trattare la teoria di un’antenna phased array va oltre lo scopo di questo articolo. Per ulteriori informazioni su questo argomento potete fare riferimento alla serie di articoli di Analog Dialog , suddivisi in tre parti, dal titolo “Phased Array Antenna Patterns.” [1] Il costo elevato delle antenne attive phased array ne ha limitato l’applicazione, destinandole prevalentemente ai settori aerospaziale e difesa. I progressi più recenti nella tecnologia del semiconduttore, combinati a livelli di integrazione elevati, hanno reso possibile l’utilizzo commerciale delle antenne attive phased array nelle applicazioni 5G. ADI offre dispositivi attivi per il beamforming che integrano 16 canali completi di trasmissione e ricezione con i relativi PA e amplificatori low noise (LNA), così come controlli di fase e guadagno per ciascun canale, nonché la funzionalità di switch TDD. Tutto questo integrato su un unico chip di silicio! La prima generazione di questi dispositivi è stata implementata usando la tecnologia BiCMOS SiGe (ADMV4821). Per migliorare ulteriormente l’efficienza energetica e ridurre il costo, la seconda generazione utilizza il processo SOI CMOS (ADMV4828). Questi beamformer altamente integrati ed efficienti, con gli up/downconverter mmWave (ADMV1017/ ADMV1018) e i sintetizzatori di frequenza (ADF4371/ λ λ λ Fig. 1 – Un array di antenne da 256 elementi radianti a doppia polarizzazione ELETTRONICA OGGI 500 - MARZO 2022 55