SciTechDaily

ניקולס

5G ללא גבולות: מדענים יפנים מפתחים מערך מקלטי משדר יעיל עם הפעלה אלחוטית

חוקרים בטוקיו טק פיתחו מערך מקלטי משדר פורץ דרך בעל 256 אלמנטים לתקשורת 5G, שנועד לתת מענה לאתגרים כמו SNR נמוך וחסימת אותות עקב מכשולים פיזיים. מערך זה משתמש בטכנולוגיות יצירת אלומה והמרת הספק מתקדמות כדי לשפר את איכות האות ולהרחיב את כיסוי הרשת, במיוחד בסביבות שאינן קו ראייה. על ידי השגת שיפורים משמעותיים ביעילות המרת ההספק וב-SNR, מערך מקלטי משדר זה מבטיח להרחיב את הנגישות והאמינות של 5G, ובכך לטפח תקשורת אלחוטית יותר נפוצה ואפקטיבית.

חוקרים פיתחו מקלט ממסר חדשני המופעל באופן אלחוטי, המשפר את כיסוי רשת 5G, אפילו באזורים שבהם החיבור חסום.

מדענים בטוקיו טק תכננו מערך מקלטי משדר חדשני בעל 256 אלמנטים לתקשורת 5G ללא קו ראייה. עיצוב חדש זה כולל העברת כוח אלחוטית יעילה ויעילות המרה בהספק גבוה, שיכולים לשפר את כיסוי רשת 5G אפילו באזורים עם חסימת קישורים. הגמישות ואזור הכיסוי המשופרים עשויים להפוך תקשורת במהירות גבוהה עם זמן אחזור נגיש יותר.

תקשורת גלי מילימטר 5G, המשתמשת באותות רדיו בתדר גבוה במיוחד (24 עד 100 גיגה-הרץ), היא טכנולוגיה מבטיחה לתקשורת אלחוטית מהדור הבא, המציגה מהירות גבוהה, זמן השהייה נמוך וקיבולת רשת גדולה. עם זאת, רשתות 5G הנוכחיות עומדות בפני שני אתגרים מרכזיים. הראשון הוא יחס האות לרעש הנמוך (SNR). SNR גבוה חיוני לתקשורת טובה. אתגר נוסף הוא חסימת קישורים, המתייחסת לשיבוש באות בין המשדר למקלט עקב מכשולים כמו מבנים.

יעילות המרת הספק גבוהה ורווח המרה מוצעת לוח מערך משדרים

עיצוב מקלט המשדר המוצע מאפשר יעילות המרת הספק ורווח המרה גבוהים, ומשפר את הכיסוי של רשת 5G אפילו באזורים עם חסימת קישורים. קרדיט: 2024 IEEE MTT-S סימפוזיון בינלאומי למיקרוגל

פתרונות יצירת אלומה ו-Non-Line-of-Sight

יצירת אלומה היא טכניקת מפתח לתקשורת למרחקים ארוכים באמצעות גלי מילימטר המשפרת את SNR. טכניקה זו משתמשת במערך של חיישנים כדי למקד אותות רדיו לתוך אלומה צרה בכיוון מסוים, בדומה למיקוד אלומת פנס בנקודה אחת. עם זאת, היא מוגבלת לתקשורת קו ראייה, שבה המשדרים והמקלטים חייבים להיות בקו ישר, והאות המתקבל עלול להתדרדר עקב מכשולים. יתר על כן, חומרי בטון וחומרי זכוכית מודרניים יכולים לגרום להפסדי ריבוי גבוהים. לפיכך, יש צורך דחוף במערכת ממסר ללא קו ראייה (NLoS) כדי להרחיב את כיסוי רשת ה-5G, במיוחד בתוך הבית.

כדי לטפל בבעיות אלו, צוות חוקרים בראשותו של פרופסור-משנה Atsushi Shirane מהמעבדה למחקר בינתחומי עתידי של מדע וטכנולוגיה במכון הטכנולוגי של טוקיו (Tokyo Tech) עיצב מקלט-משדר חדשני בעל הפעלה אלחוטית עבור 28 GHz מילימטר-גל 5G תקשורת (כמתואר באיור 1). המחקר שלהם פורסם ב-Proceedings of the 2024 IEEE MTT-S International Microwave Symposium.

מבנה המעגל של מקלט המשדר המוצע

הלוח כולל דיודות גליום ארסניד, ICs של balun, ICs מתגי DPDT ו-ICs ​​דיגיטליים. מעגל זה מייצר DC מאות 24GHz WPT וממיר אות RF של 28GHz לאות IF של 4GHz בו זמנית. קרדיט: 2024 IEEE MTT-S סימפוזיון בינלאומי למיקרוגל

כשהיא מסבירה את המוטיבציה מאחורי המחקר שלהם, אומרת שירן: "בעבר, עבור תקשורת NLoS, נחקרו שני סוגים של ממסרי 5G: סוג פעיל וסוג המופעל באמצעות אלחוטי. בעוד שהממסר הפעיל יכול לשמור על SNR טוב אפילו עם מעט מערכי מיישרים, יש לו צריכת חשמל גבוהה. הסוג המופעל באופן אלחוטי אינו דורש ספק כוח ייעודי אך זקוק למערכי מיישרים רבים כדי לשמור על SNR עקב רווח המרה נמוך ומשתמש בדיודות CMOS בעלות יעילות המרת הספק נמוכה מעשרה אחוזים. התכנון שלנו מטפל בבעיות שלהם תוך שימוש במעגלים משולבים מוליכים למחצה זמינים מסחרית (ICs).

מפרט טכני ותוצאות בדיקות

מקלט המשדר המוצע מורכב מ-256 מערכי מיישרים עם העברת כוח אלחוטית של 24 גיגה-הרץ (WPT). מערכים אלה מורכבים מ-ICs נפרדים, כולל דיודות גליום ארסניד, ובלונים, המתממשקים בין קווי אות מאוזנים ובלתי מאוזנים (bal-un), מתגי DPDT ו-IC דיגיטלי (ראה איור 2). יש לציין שהמשדר מסוגל להעביר נתונים והספק בו-זמנית, להמיר אות WPT של 24 גיגה-הרץ לזרם ישר (DC) ולאפשר שידור וקבלה דו-כיווני של 28 גיגה-הרץ בו זמנית. אות ה-24 גיגה-הרץ מתקבל בכל מיישר בנפרד, בעוד שאות ה-28 גיגה-הרץ מועבר ומתקבל באמצעות יצירת אלומה. שני האותות יכולים להתקבל מאותם כיוונים או שונים וניתן להעביר את אות ה-28 גיגה-הרץ או עם רטרו-שתקפות עם אות הטייס של 24 גיגה-הרץ או בכל כיוון.

בדיקות גילו שהמשדר המוצע יכול להשיג יעילות המרת הספק של 54% ורווח המרה של -19 דציבלים, גבוה יותר ממקלטי משדר רגילים תוך שמירה על SNR למרחקים ארוכים. בנוסף, הוא משיג כ-56 מיליוואט של ייצור חשמל שניתן להגדיל עוד יותר על ידי הגדלת מספר המערכים. זה יכול גם לשפר את הרזולוציה של קרני השידור והקליטה. "מקלט המשדר המוצע יכול לתרום לפריסה של רשת ה-5G בגלי מילימטר אפילו למקומות שבהם הקישור חסום, לשפר את גמישות ההתקנה ושטח הכיסוי", מעיר שירן על היתרונות של המכשיר שלהם.

מקלט-משדר חדש זה יהפוך את רשתות ה-5G לנפוצות יותר, ויהפוך את התקשורת המהירה וההשהייה לנגישה לכולם!

מפגש: 2024 IEEE MTT-S סימפוזיון מיקרוגל בינלאומי

המחקר מומן על ידי משרד הפנים והתקשורת, המכון הלאומי לטכנולוגיית מידע ותקשורת וסוכנות המדע והטכנולוגיה של יפן.

ניקולס