El diseño de antenas necesita optimización para sistemas 6G

Hank Ly, punto de referencia | 31 de julio de 2023

La evolución de las redes de comunicaciones de quinta generación (5G) a partir de sistemas inalámbricos celulares anteriores se está realizando en todo el mundo. El acceso móvil a Internet con comunicaciones de voz, vídeo y datos se proporciona combinando equipos diversificados de comunicaciones terrestres y por satélite (satcom). Sin embargo, a pesar del generoso ancho de banda de 5G, las personas y los dispositivos lo consumen rápidamente en forma de aplicaciones de transmisión por secuencias, Internet de las cosas (IoT), sensores, electrodomésticos y más.

Sin embargo, antes de que se haya completado la infraestructura de red 5G, se están planificando aplicaciones para la tecnología de sexta generación (6G). Dado que el 5G ocupa el espectro de frecuencias por debajo de 6 GHz y se acerca a los 72 GHz, el 6G se extenderá hacia 1 THz.

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A pesar de todo lo que prometen las redes inalámbricas 5G, el uso cada vez mayor de sensores para seguridad, vigilancia y monitoreo como parte de los dispositivos de IoT es solo una de las formas en que se generarán cantidades masivas de datos. A las redes 5G ciertamente no les faltará ancho de banda, con sistemas operando dentro de tres rangos de frecuencia (FR) distintos: FR1 (˂6 GHz), FR2 (24,25 a 71,0 GHz) y FR3 (7,125 a 24,250 GHz).

Pero con un número cada vez mayor de dispositivos IoT que se agregan a las redes 5G, junto con un número cada vez mayor de usuarios humanos, las redes 5G estarán presionadas (incluso con sus anchos de banda mejorados) para proporcionar transferencias de datos de baja latencia como parte de los sistemas de seguridad. , vigilancia y reuniones de negocios, como ejemplos.

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La latencia típica de transferencia de datos para las redes 5G es de aproximadamente 4 milisegundos, lo que puede parecer un retraso insignificante. Pero para algunas de las aplicaciones proyectadas para redes 6G (como imágenes holográficas, tridimensionales (3D) en llamadas telefónicas y reuniones de negocios remotas de realidad virtual (VR), se requiere una latencia casi nula para respuestas prácticas en tiempo real.

La transformación de la tecnología 5G en redes 6G, o al menos en sistemas avanzados 5G, requerirá un uso sofisticado del espectro de frecuencias que abarque todo el espectro de frecuencias de ondas milimétricas (30 a 300 GHz) que antes no se consideraba de uso práctico para ninguna forma de comunicaciones comerciales. . El uso cada vez mayor de tecnologías electrónicas emergentes, como la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (ML), ayudará a gestionar los puntos de acceso a la red a medida que las personas y las cosas compitan por el espectro.

Al emplear IA, las redes de comunicaciones inalámbricas 6G recopilarán datos sensoriales sobre el entorno operativo, detectando el reflejo de obstáculos y mapeando instantáneamente rutas de propagación óptimas para señales de alta frecuencia. Pero hacer llegar las señales de los usuarios a las células y a los puntos de conmutación (ya sea en la superficie, bajo tierra o desde el espacio) seguirá requiriendo componentes como conjuntos de antenas capaces de formar haces de energía dirigida que puedan transferir grandes cantidades de datos a través de espacios aéreos abarrotados.

El diseño y el desarrollo mecánicos contribuirán a la creación de redes 5G/6G que se adapten bien al ecosistema operativo y sean capaces de proporcionar un funcionamiento práctico y fiable a largo plazo. A medida que 5G se extienda a los servicios 6G mediante la adición de miles de satélites de órbita terrestre baja (LEOS) para comunicaciones espaciales, se necesitarán componentes livianos para satélites cada vez más pequeños.

Con la creciente densidad de componentes y funcionalidades contenidas en PCB más pequeñas para LEOS y celdas pequeñas terrestres, se necesitarán técnicas efectivas de gestión térmica para minimizar cualquier acumulación de calor dentro de pequeñas carcasas metálicas. Además, se necesitará fotolitografía de alta resolución para realizar los finos anchos de línea de los circuitos que soportan las pequeñas longitudes de onda de las frecuencias de las señales de ondas milimétricas.

La elección de antenas y su interfaz con la infraestructura 5G/6G es un ejemplo en el que la ingeniería mecánica desempeñará un papel clave en el apoyo a los diseñadores de antenas. Las antenas para redes 5G/6G utilizarán muchas configuraciones, incluidos dispositivos de formación de haces altamente direccionales, antenas omnidireccionales, conjuntos en fase activos con múltiples elementos, antenas de placa de circuito impreso (PCB) flexibles para estaciones base o productos celulares móviles, y antenas múltiples masivas. -antenas de entrada y salida múltiple (mMIMO) para manejar un tráfico de señal extenso en celdas pequeñas (Fig. 1).

Fig. 1. Antena de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO)

Estas muchas antenas diferentes deben interconectarse con receptores y transmisores 5G/6G y procesar señales con una diversidad de formas de modulación en un amplio rango de frecuencia total, con antenas más grandes para la porción "por debajo de 6 GHz" de las redes 5G/6G y antenas más pequeñas. para señales de ondas milimétricas y de mayor frecuencia. La precisión en el diseño mecánico de las antenas, especialmente en frecuencias de ondas milimétricas, es esencial para los sistemas 5G/6G, que requerirán una precisión de posicionamiento centimétrica para la gestión de miles de millones de usuarios tripulados y no tripulados.

Fig. 2. Software CAD en la pantalla de la computadora

El diseño de antenas 5G/6G puede comenzar con datos del parámetro S (o simulaciones) en una herramienta de software comercial de diseño asistido por computadora (CAD) (Fig. 2), pero lo más probable es que los prototipos físicos de las antenas se realicen mediante fabricación aditiva. métodos como la impresión 3D (Fig. 3). En este enfoque, los materiales se funden a altas temperaturas y se les dan formas y tamaños de acuerdo con dibujos y parámetros CAD. Esto contrasta con los métodos tradicionales de fabricación sustractiva, en los que el material que no se necesita se elimina mediante corte y perforación con láser o mecánico.

Se pueden formar muchos materiales variados, incluidos plásticos dieléctricos y metales conductores, mediante impresión 3D capa tras capa y con gran precisión, resolución y repetibilidad. Las técnicas de impresión 3D especializadas, como la impresión directa de metal (DMP), forman cobre puro y aleaciones de cobre en formas de circuitos precisas. Cuando se utilizan sistemas DMP con bajo contenido de oxígeno, se pueden producir piezas metálicas 3D con excelentes acabados superficiales para su uso en frecuencias de ondas milimétricas. Además, la imagen directa por láser (LDI) es una técnica para aplicar energía láser para fabricar líneas de circuitos y espaciados con una resolución superior a 25 µm, lo que también es beneficioso para circuitos de ondas milimétricas.

Dada la complejidad esperada de los sistemas 6G y los objetivos de diseño para la conmutación de señales de baja latencia para miles de millones de dispositivos IoT, muchos tipos distintos de antenas contribuirán al enrutamiento de señales 5G/6G. Las antenas de identificación por radiofrecuencia (RFID) serán componentes de muchos dispositivos electrónicos y marcarán sus funciones dentro de la red. Tanto para humanos como para dispositivos IoT, las antenas portátiles e implantables proporcionarán mediciones de cantidades físicas, como humedad, temperatura, concentraciones de gases y líquidos, y fuerza.

También se espera que las antenas de recolección de energía sean componentes clave dentro de los sistemas 5G/6G para aportar energía a la red mediante la conversión de componentes ambientales (como el viento y la luz solar) y ser la fuente de energía para lo que se denominará “energía cero”. componentes.

Fig. 3. Impresora 3D en Benchmark

Las tecnologías de antenas continúan evolucionando a medida que aumenta la demanda de comunicaciones de voz, video y datos. Las antenas pasivas en fase han sido durante mucho tiempo una solución para lograr los pulsos de alta energía necesarios para los transmisores de radar militares sumando las potencias de señal de muchos elementos de antena en fase. Los elementos separados de una antena de matriz en fase están diseñados y fabricados para estar en fase entre sí, lo que requiere variaciones mínimas de fase para obtener la máxima potencia de salida.

Por el contrario, las antenas activas en fase proporcionan control eléctrico de la fase y las amplitudes de los elementos de antena separados para lograr la máxima potencia de salida cuando se suman los componentes de la señal separados. La dirección del haz de conjuntos de antenas activas continúa desarrollándose hasta el punto de que se están diseñando antenas experimentales de modo que la dirección, frecuencia y amplitud del haz dirigido puedan controlarse mediante diferentes formatos de codificación de software, como el software de codificación espacio-temporal (STC).

Las arquitecturas de antena avanzadas contribuirán a las comunicaciones inalámbricas de baja latencia en las redes 5G y 6G. Al cambiar conjuntos de sistemas de antenas activas, los cabezales de radio remotos (RRH) aumentarán la cantidad de canales posibles con celdas más pequeñas. Con longitudes de onda de señal pequeñas, se necesitarán grandes cantidades de celdas pequeñas en frecuencias más altas para lograr una cobertura celular inalámbrica aceptable en áreas con grandes poblaciones y con entornos operativos que contienen múltiples obstáculos de propagación.

El rendimiento y la funcionalidad de la antena variarán según la aplicación de la antena dentro de la red. Las antenas para dispositivos robóticos móviles de IoT, por ejemplo, se conectarán a la red a distancias cortas a través de pequeñas celdas en bandas de frecuencia de ondas milimétricas, pero requerirán patrones de radiación omnidireccionales para una conectividad máxima.

Debido a la naturaleza de los dispositivos robóticos de IoT, se requerirán interconexiones de latencia cero con redes 5G/6G, ya sea que los robots estén bajo tierra o en la superficie. Las antenas para aplicaciones biomédicas y sanitarias, como la monitorización remota de órganos de pacientes en tiempo real, pueden requerir anchos de banda amplios disponibles en frecuencias de ondas milimétricas, pero con haces electromagnéticos (EM) altamente enfocados y dirigidos habilitados por antenas de matriz activa.

En el caso de una aplicación de IoT robótica móvil, la conexión mecánica de la antena omnidireccional al dispositivo robótico debe cumplir con los requisitos militares para resistir golpes, vibraciones y un amplio rango de temperaturas para garantizar comunicaciones confiables con la red. Para la antena biomédica, la antena debe instalarse con una precisión de alineación de grado instrumental para garantizar la calibración adecuada de los haces EM dirigidos.

El diseño electrónico tiene en cuenta cierta corrección del haz, pero el diseño mecánico proporciona el diseño, la instalación y el posicionamiento de la antena para que pueda alcanzar un punto de partida de “0 grados”. El mismo tipo de instalación de antena y precisión de alineación serán esenciales para las comunicaciones holográficas 3D que se espera sean una característica popular de las redes 6G.

Tanto las redes 5G como las 6G contarán con circuitos densos con materiales de circuitos de alto rendimiento que soportarán placas de circuito impreso (PCB) repletas de dispositivos electrónicos activos y pasivos. Los dispositivos de señal mixta altamente integrados, como los componentes de sistema en chip (SoC) y los diseños de sistema en paquete (SiP), proporcionarán funcionalidad de subsistema en tamaños de paquete una vez asociados con componentes de función única (es decir, receptores en paquetes anteriormente). el tamaño de los amplificadores con materiales de bajas pérdidas que contribuyen a una gestión térmica eficaz con tamaño, peso y potencia reducidos). Algunos componentes, como las antenas, seguirán estando relacionados con la longitud de onda y funcionarán en frecuencias de ondas milimétricas con la ayuda de técnicas activas de formación de haces. La manipulación repetible del espectro EM dependerá de la ingeniería mecánica, la fabricación y el ensamblaje precisos para lograr asignaciones de frecuencia de canal, especialmente en las longitudes de onda cada vez más reducidas de las frecuencias más altas.

Fig. 4. Banco de trabajo de ingeniería mecánica en Benchmark

Diseñar y producir redes 5G/6G prácticas con antenas avanzadas y otras tecnologías electrónicas requerirá grandes esfuerzos de ingeniería mecánica para lograr los componentes físicos y las tolerancias necesarias para soportar frecuencias de señales de ondas milimétricas y más. La integración de los esfuerzos de ingeniería electrónica y mecánica (Fig. 4) comenzará con la imaginación del diseño humano y, a partir de ahí, las simulaciones de software CAD. Esas simulaciones ahorrarán el tiempo y el costo de construir múltiples prototipos. No debe olvidarse la importancia de contar con capacidades de medición precisas tanto para el rendimiento eléctrico como para las tolerancias mecánicas.

Para todas las habilidades de ingeniería, las mediciones verificarán que los diseños de prototipos estén listos para su uso en el campo si existen métodos de fabricación para producirlos de manera repetible, confiable y rentable.

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