Antenele multiple care integrează o mulțime de elemente mici de antenă joacă un rol esențial în stațiile de bază cu celule mici pentru comunicațiile mobile 5G. Introducerea mai multor antene la emițător și/sau la receptor asigură adaptarea la diversitatea spațială, ca distanță și poziție în sistem.
Dimensiunea pieței globale a serviciilor 5G a fost evaluată la 60,61 miliarde USD în 2022 și este de așteptat să se extindă la o rată de creștere anuală compusă (CAGR) de 59,4% din 2023 până în 2030. Serviciile mobile fără fir 5G permit un mediu complet mobil și conectat. Vitezele mai mari ale datelor și latența extrem de scăzută oferite de tehnologia 5G ar îmbunătăți serviciile 5G pentru mai multe cazuri de utilizare, cum ar fi jocurile cu Realitatea Virtuală (VR) și Realitatea Augmentată (AR), apeluri video fără întreruperi și Ultra- Videoclipuri de înaltă definiție (UHD). Se estimează că cererea de conectivitate a datelor la mare viteză va crește pentru aplicațiile unificate în IoT, cum ar fi managementul în locuințe inteligente.
În Europa, se estimează că piața va ajunge în 2027 la 42,7 de miliarde dolari și CAGR 85,1%. Domeniile principale de aplicații sunt: industria auto (producția și utilizarea vehiculelor), energie (producție și utilități), îngrijirea sănătății, vânzarea cu amănuntul.
Lideri cheie în tehnologia 5G în Europa
Liderii cheie în industria infrastructurii 5G în Europa includ: Qualcomm, Huawei, Intel Corporation, Samsung Electronics, Ericsson, Nokia, NEC, Vodafone PLC, Orange Labs, NTT Corporation, IBM, ZTE Corporation, Fujitsu, CISCO, Interdigital Communication, Alcatel Lucent, Siemens, ATOS SE, Orion Innovations. Acești lideri cheie au adoptat strategii pentru extinderea portofoliului de produse, fuziuni și achiziții, acorduri, expansiune geografică, și colaborări pentru dezvoltarea pieței de produse și servicii 5G.
Caracteristicile comunicațiilor 5G
- Viteze ultrarapide/Capacitate mare – la 5G sunt de peste 10 ori mai mari decât la 4G.
- Conexiuni multiple simultane – 1 milion de terminale pe kmp pot fi conectate fără interferențe.
- Latență ultra-scăzută. Latența este timpul necesar pentru ca dispozitivele să răspundă între ele prin rețeaua wireless. Rețelele 3G au avut un timp de răspuns tipic de 100 milisecunde, 4G este de aproximativ 30 milisecunde, iar 5G va fi de până la 1 milisecundă (practic instantaneu).
Folosirea undelor milimetrice
În comunicațiile 5G, fiecare stație de bază 5G acoperă doar o zonă restrânsă, fiindcă în banda mmWave raza de acțiune poate fi de numai câteva sute de metri. Astfel, configurația rețelei pentru comunicațiile 5G e caracterizată de un număr mare de stații de bază cu celule mici, ce vor fi instalate, inițial suprapuse pe fiecare dintre macro celulele 4G care asigură, acum, acoperire prin stațiile bază de comunicații convenționale.
Undele milimetrice sunt blocate ușor de obstacole, iar pentru a menține comunicații stabile în zonele urbane (cu străzi, clădiri și mall-uri) este necesară instalarea unui număr mare de stații de bază mici.
Antena cu elemente masive și formarea fasciculului
Tehnologiile cheie pentru ca 5G să depășească deficiența distanței scurte de propagare a undelor radio și pentru a conecta simultan un număr mare de terminale, cu latență cât mai mică sunt:
(1) „antena cu elemente masive” a stației de bază și (2) tehnologia numită „formarea fasciculului” (beamforming). Antenele cu elemente masive constau dintr-un număr mare de elemente de antenă, de la câteva zeci la sute, pentru a îmbunătăți eficiența spectrală și energetică.
Notă. Tehnologia MIMO (Multiple Input Multiple Output) cu mai multe antene este o caracteristică cheie a rețelelor 5G. Utilizarea mai multor antene pe stația de bază și pe dispozitivele utilizatorului, permite o utilizare mai eficientă a spectrului disponibil și îmbunătățește performanța generală a rețelei.
Există 2 tipuri principale de tehnologie MIMO utilizate în rețelele 5G:
SU-MIMO (Single User MIMO) și MU-MIMO (Multi User MIMO).
SU-MIMO implică utilizarea mai multor antene pe stația de bază și pe dispozitivul utilizatorului pentru a îmbunătăți performanța conexiunii unui singur utilizator.
MU-MIMO permite mai multor utilizatori să partajeze același canal și să primească date simultan.
Această tehnologie este deosebit de utilă în zonele cu densitate mare de utilizatori și trafic intens de rețea.
Formarea fasciculului în comunicațiile 5G
Tehnica beamforming folosită în rețelele 5G, concentrează undele radio într-o direcție specifică pentru a îmbunătăți puterea și calitatea semnalului. Semnalul este transmis de la mai multe antene în faze ușor diferite, ceea ce face ca semnalele să se combine și să se amplifice pentru a crea un fascicul mai concentrat și mai direcțional.
Direcționarea fasciculului către un dispozitiv, se realizează prin algoritmi avansați de procesare a semnalului, care analizează semnalele primite de la dispozitivul utilizatorului și ajustează semnalele în matricea de antene pentru a focaliza semnalul către țintă.
Astfel, se depășește problema distanței scurte de propagare a undelor radio milimetrice și permite conexiuni multiple simultane.
Tehnologia LTCC de la TDK utilizată în antenele cu elemente masive
Design cu antenă în pachet (AiP – Antenna in Package) la preț redus, care acceptă radiația din direcția frontală și cea laterală, pentru aplicații portabile 1 … 60GHz. Prin tehnologie multistrat, condensatoarele și inductoarele sunt imprimate și stratificate pe foi dielectrice.
Un număr mare de elemente planare dispuse într-o matrice formează o antenă cu elemente masive pentru stațiile de bază 5G. Într-o antenă plană, elementele de antenă individuale sunt montate la intervale de aproximativ jumătate din lungimea de undă a undelor radio utilizate. Astfel, pentru undele radio cu o frecvență de 20 GHz, distanța dintre elemente este de aproximativ 7,5 mm, iar o antenă matrice plană cu 16 × 16 = 256 elemente are o dimensiune de aproximativ 12 cm pătrați. La frecvențe de peste 20GHz, mai multe elemente de antenă pot fi integrate în aceeași zonă. Un BPF (Band Pass Filter) și circuitele integrate sunt conectate la antena matrice. Metoda de fabricație a antenei matrice este un pas important în miniaturizarea întregului sistem.
O metodă de fabricație pentru un produs la costuri reduse
Metoda de fabricație LTCC (Low Temperature Co-Fired Ceramics) folosește un substrat ceramic laminat, fiind dezvoltată special pentru fabricarea componentelor și modulelor de înaltă frecvență. Filtrele BPF sunt circuite ce conțin inductoare (L) și condensatoare (C), dar componentele discrete cu cip (L și C) nu pot fi utilizate în domeniul de înaltă frecvență. Un conductor metalic fin (microstrip) este format pe o foaie ceramică dielectrică, iar modelul geometric al conductorului are caracteristici de inductor sau condensator.
TDK a fost una dintre primele companii care a stabilit o metodă avansată de producție LTCC numită „tehnologie de ardere simultană a diferitelor materiale”, apoi a comercializat și furnizat filtre de înaltă frecvență și module front-end pentru terminale de comunicații mobile. Dispozitivul LTCC AiP (Antena în Pachet) de la TDK a fost dezvoltat pentru antenele ultra-multi-element ale stațiilor de bază 5G. Un dispozitiv compozit cu o structură AiP, care integrează un element de antenă 4×4 și un BPF folosind metoda LTCC, se fabrică pe un substrat mare pentru a realiza o antenă matrice.
Notă. Antene LTCC
Antenele LTCC sunt proiectate ca structuri multistratificate cu o varietate de straturi conductoare și dielectrice, realizate cu precizie pentru a obține performanțe optime în sistemele de comunicații radio.
Antenele cu cip ceramice din seria ANT de la TDK au design compact și un profil redus, utilizând tehnologia LTCC.
Cu dimensiunile mici și profilul subțire, antenele TDK facilitează proiectarea și revizuirea PCB-ului menținând performanța și fiabilitatea înalte. Aplicații: WiFi de 2,4 GHz și 5 GHz, Bluetooth/BLE/Bluetooth Smart, ZigBee, GPS, LTE B40/B41, DSRC (Dedicated Short-Range Communications – tehnologie de comunicație fără fir ce permite vehiculelor să comunice între ele și cu alți utilizatori ai drumului direct, fără a implica infrastructura celulară sau de altă natură), Automobile.
Caracteristici: Capsulă EIA 0603 … EIA 1008, Frecvență: 900MHz … 5.95GHz, mediu: -40°C …+85°C, Polarizare liniară, Design bazat pe LTCC, Design compact cu profil redus, Suportă mai multe benzi, Omnidirecțional.
Designul potrivit de antenă pentru 5G
Antena este un punct critic într-un design wireless. Dacă este proiectată corect, antena creează un produs wireless de înaltă performanță, gata de certificare. Echipa de ingineri de la Digi International poate ajuta la selectarea sau proiectarea unei antene optimizând designul pentru funcționalitatea tehnică și costuri.
Antenele celulare pentru rețelele 5G constau din 2 subseturi majore:
5G NR FR1 (sub 6 GHz) – În timp ce această porțiune a spectrului 5G va solicita proiectarea de noi aplicații, antena va fi în mare măsură o evoluție a dimensiunilor și modelelor LTE existente.
5G NR FR2 (mmWave) – Cu frecvențele mmWave, problema cu care se confruntă proiectanții este distanța de propagare mai mică a semnalului, dar și alte cerințe la nivel de sistem. O antenă multiplă, cu antene mici în matrice fază, devine necesară pentru dimensiunea impusă celulei și pentru a utiliza pe deplin lățimea de bandă potențială, viteza, volumele de date și alte aspecte ale tehnologiei 5G.
O antenă cu matrice fază pentru rețelele 5G mmWave necesită cunoștințe semnificativ mai avansate despre conceptele de proiectare a antenei, practicile de proiectare a antenei matrice, propagarea semnalului mmWave și altele. Cel puțin, o antenă cu matrice fază ar trebui să orienteze și să optimizeze fasciculul de unde pentru a maximiza eficiența conexiunii către dispozitivele mobile de recepție.
Antene pentru 4G actual în comparație cu noul 5G
O antenă cu matrice fază bine proiectată ar trebui să minimizeze dimensiunea matricei, să atenueze nivelul lobului lateral, să îmbunătățească intervalul și rezoluția unghiului de direcție al fasciculului, să suprime zgomotul sistemului și să aibă eficiență energetică.
Detaliile antenelor mmWave phased-array pot fi descurajante, motiv pentru care este important să lucrați cu un partener de încredere, cu un palmares dovedit de succes în dispozitivele celulare.
Testarea antenei mmWave prezintă obstacole de inginerie, în ceea ce privește calibrarea și configurarea la aceste frecvențe, unde pierderile în configurație devin mai pronunțate. Estimările sugerează că echipamentele pentru testare pot necesita investiții de peste 1 milion de dolari. Echipa Digi Wireless Design Services are experiența, echipamentul, infrastructura și instrumentele de testare pentru a vă ajuta să proiectați antena 5G mmWave potrivită nevoilor dumneavoastră.
Exemple:
Antenă patch. E realizată dintr-un strat conductiv (cupru sau aur) încorporat în straturile ceramice. Este proiectată să rezoneze la o anumită frecvență.
Antenă cip ceramică. Este o antenă compactă, cu profil redus, ce constă dintr-un substrat ceramic cu modele metalice proiectate să rezoneze la frecvențe specifice. Antena cip este montată pe placa dispozitivului, fiind ideală pentru aplicațiile cu spațiu limitat.
Tehnologia LTCC poate fi folosită și pentru a crea antene multi bandă și de bandă largă, care pot funcționa pe o gamă de frecvențe. Acestea se realizează prin proiectarea antenei cu mai multe elemente rezonante sau prin utilizarea unor structuri “fractale” pentru a obține performanțe în bandă largă.
Mecanismul de evoluție al antenei fractale Sierpinski de formă hexagonală: (a), (b), (c) Iterații și (d) antenă dezvoltată.
Prin aplicarea conceptului fractal elementelor antenei se pot obține avantaje:
- Dimensiuni mai mici, cu eficiență și câștig excelente.
- Frecvențe de rezonanță care acceptă mai multe benzi.
- Antenă optimizată pentru valoarea țintă a câștigului.
- Se poate obține un răspuns în frecvență în bandă largă.
- Simplă și robustă, iar caracteristicile depind de geometrie și nu depind de componente discrete.
Antenele LTCC oferă o serie de avantaje: performanță ridicată, dimensiune compactă și fiabilitate excelentă, făcându-le o alegere populară pentru o gamă largă de aplicații de comunicații fără fir.
Există o varietate de antene LTCC utilizate în diferite aplicații
Antene GPS. Primesc semnale de la sateliții GPS (Global Positioning System) în scopuri de navigare. Tehnologia LTCC e folosită pentru fabricarea antenelor patch GPS, care funcționează la frecvența GPS de 1,575 GHz. Antenele sunt mici, ușoare, au câștig și eficiență ridicate, fiind ideale în dispozitive GPS (sisteme de navigație auto și telefoane inteligente).
Mai multe antene sunt capabile să direcționeze lobii și nulurile unui fascicul de antenă pentru anularea interferențelor între canale într-o configurație multiutilizator.
Antene RFID. Sunt folosite pentru identificarea și urmărirea fără fir a obiectelor (Radio Frequency Identification). Tehnologia LTCC face ca antenele RFID să aibă pierderi reduse, pentru aplicații de înaltă frecvență. Antenele RFID pot fi proiectate ca antene patch, antene dipol sau antene buclă, în funcție de aplicație.
Antene Wi-Fi. Sunt utilizate în rețelele locale (LAN). Prin tehnologia LTCC se produc antene cu cip Wi-Fi, compacte și cu profil redus. Pot funcționa în intervalul de frecvență 2,4 GHz … 5,8 GHz, fiind utilizate în routere Wi-Fi, telefoane inteligente, tablete și alte dispozitive fără fir.
Antene pentru unde milimetrice. Suportă aplicații de înaltă frecvență, cum sunt sistemele 5G. Prin tehnologia LTCC se fabrică antene pentru banda mmWave cu pierderi reduse. Sunt proiectate ca antene patch, antene cu ghid de undă sau antene horn, în funcție de aplicație.
O antenă de formare a fasciculului (BF) folosește mai multe elemente de antenă pentru a controla direcția unui front de undă. Prin schimbarea fazei semnalelor individuale într-o rețea de antene mici, fasciculul poate fi format în unghi. Unda plană poate fi apoi direcționată în direcția dorită.
În general, antenele LTCC sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații, de la dispozitive de comunicații mobile și wireless până la sisteme aerospațiale și de apărare. Tehnologia LTCC permite proiectarea și fabricarea de antene complexe și de înaltă performanță care îndeplinesc cerințele exigente ale sistemelor moderne de comunicații fără fir.
Principiul BF este utilizarea unui număr mare de antene într-o matrice. Fiecare antenă poate fi controlată cu un comutator de fază și un atenuator. Antenele au o jumătate de lungime de undă a semnalelor. Faza fiecărei antene este apoi reglată pentru a controla direcția fasciculului.
Fasciculul ar trebui trimis în aceeași direcție în care UE (User Equipment) a transmis în UL (Uplink).
Notă.
UE (User Equipment – Echipamentul utilizatorului) = un dispozitiv mobil (telefon inteligent, tabletă, laptop etc) folosit în comunicațiile fără fir pentru a accesa rețeaua.
UL (Uplink) = semnalul care părăsește telefonul înapoi la turnul celular.
Aceasta înseamnă că antenele și logica care le controlează trebuie să poată măsura așa-numitul „unghi de sosire”. Măsurând întârzierea între faza de sosire și fiecare antenă mică, este posibil să se calculeze unghiul de sosire. Pentru a trimite semnalul în aceeași direcție, frontul de fază al semnalului transmis ar trebui să fie trimis cu același interval de timp. Schimbarea de fază se poate face în domeniul digital sau în domeniul analogic.
Tehnologia mmWave oferă capacități de rețea ultra-înalte.
Partea frontală mmWave se află în unitatea radio mobilă (RU) sau integrată în macro/celula mică, care include o unitate distribuită (DU) / unitate centralizată (CU) pentru o implementare flexibilă.
Matricea de antene în fază (”phased array”) este soluția pentru compensarea distanței mici a benzii mmWave și aplicarea acesteia la sistemele de “beamforming” și MIMO pentru a îndeplini cerințele aplicației.
Constantin Savu
Director General – Ecas Electro
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro asigură aprovizionarea și servicii pentru produsele TDK și Digi International
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro
Referințe WEB:
https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/5g-services-market
https://www.alliedmarketresearch.com/europe-5g-infrastructure-market
https://blog.huawei.com/2020/08/17/the-wonders-of-5g-beamforming
https://ase.aseglobal.com/en/technology/antenna_in_package
https://product.tdk.com/en/techlibrary/productoverview/chip-antennas.html
https://www.antenna-theory.com/antennas/fractal.php
https://www.youtube.com/watch?v=MgXGiAO6VO4
https://jemengineering.com/blog-fractal-antennas-explained
https://www.avnet.com/wps/portal/abacus/solutions/markets/communications/5g-solutions/5g-beamforming
https://www.te.com/usa-en/industries/5g-wireless-equipment/insights/mass-connectivity-5g-era.html
https://info-nrlte.com/2020/07/15/massive-mimo-and-beamforming
https://www.tdk.com/en/featured_stories/entry_003.html
https://www.tmytek.com/solutions/mmwave-antenna-in-package-solution
https://www.tti.com/content/ttiinc/en/manufacturers/tdk/products/tdk-antennas-baluns-couplers.html
https://www.digi.com/products/iot-software-services/wireless-design-services/development/antenna-design