Diseño de ICs y Sistemas de Formación de Haces en Fase

Al igual que en otras áreas de aplicación, la integración abunda y ha ayudado a reducir drásticamente los tamaños de los sistemas. Los productos de IoT, telecomunicaciones, automoción y muchas otras áreas se benefician de la integración proporcionada por los SoCs y otros circuitos integrados. Las tecnologías de RF que dependen del conformado de haz están viendo su propio nivel de integración, y un circuito integrado de conformado de haz en arreglo de fase es justo lo que un sistema compacto necesita para proporcionar conformado de haz y, en sistemas capaces de 5G, MIMO.

5G ha ayudado a convertir el conformado de haz en una nueva palabra de moda tecnológica, pero el conformado de haz tiene usos fuera de las telecomunicaciones. Radar chirriante, transferencia de energía inalámbrica de largo alcance y V2X son algunas áreas donde el conformado de haz es útil para proporcionar transferencia de datos/energía de largo alcance con control direccional. Cuando necesites control de arreglo de fase en tu nuevo sistema, considera uno de estos controladores de conformado de haz.

Control de Haz en Conformado de Haz de Arreglo de Fase

El conformado de haz desde una superficie plana, como una PCB, se puede lograr con un arreglo de antenas en fase. Estas antenas pueden imprimirse directamente en la PCB, o pueden ser antenas externas (por ejemplo, antena de goma). La señal enviada a cada antena en el arreglo se desfasa ligeramente, y el haz resultante se forma debido a la interferencia entre cada antena. Colocando justo el retraso adecuado entre las señales enviadas a diferentes antenas, puedes controlar la dirección del haz resultante.

Tu circuito integrado de conformado de haz de arreglo de fase controla este retraso entre diferentes elementos de antena, controlando así el haz emitido. Estos circuitos integrados son componentes de RF de alta frecuencia que típicamente se combinan con otros componentes. El diagrama de bloques a continuación muestra la arquitectura típica de un frente de RF integrado con conformado de haz.

Los diversos bloques en este diagrama podrían estar integrados con diferentes niveles en varios componentes. Para el controlador de conformado de haz, algunas partes del frente pueden estar integradas en el circuito integrado, así que ten cuidado al agregar amplificación o filtración adicional en la salida. El conformador de haz solo puede conectarse a un pequeño número de antenas, por lo que controlar un arreglo más grande requiere múltiples circuitos integrados de conformado de haz, posiblemente con múltiples transceptores. Algo como un módulo de radar chirriante solo necesita hasta 4 antenas de parche alimentadas por el centro, mientras que un sistema MIMO de 4x4 o 8x8 puede necesitar un enorme arreglo de antenas para proporcionar conformado de haz a través de múltiples canales. Un único transceptor de RF también podría usarse con un interruptor de antena para expandir el tamaño del arreglo también.

Un circuito integrado de formación de haces en arreglo de fase es fácil de usar con duplexación por dominio de tiempo (TDD) o duplexación por dominio de frecuencia (FDD). Para TDD, un interruptor en el extremo de la antena simplemente cambia la ruta de la señal entre los lados Rx y Tx del controlador de formación de haces en arreglo de fase. Para FDD, necesitarás tomar un enfoque más creativo ya que necesitarás enviar y recibir en diferentes bandas simultáneamente. La comunidad de investigación todavía está trabajando en la arquitectura de IC para habilitar FDD con formación de haces en una sola unidad transceptora. Hasta entonces, hay unidades transceptoras de dos canales para radio FDD que pueden soportar el control de haces con múltiples controladores de formación de haces en arreglo de fase.

Tipos de Controladores de Formación de Haces

En el lado de recepción, la formación de haces viene en dos variedades, y necesitarás seleccionar tus componentes para acomodar cualquiera de los tipos de formación de haces. Nota que los diferentes tipos de formación de haces también afectan el diseño de tu PCB. Estos dos tipos de formación de haces son digital y analógico.

En la formación de haces analógica, una de las señales Tx se alimenta a un elemento de antena pasándola a través de un elemento de cambio de fase, (por ejemplo, filtros y amplificadores). Actualmente, la formación de haces analógica es posiblemente la manera más rentable de construir un arreglo de formación de haces, pero cada controlador de formación de haces solo puede ser utilizado con un solo haz. En la formación de haces digital, la entrada en cada elemento de antena se convierte a una señal digital con un ADC integrado. Esto proporciona una reconstrucción de la direccionalidad recibida del haz más precisa. Finalmente, la formación de haces híbrida es una mezcla entre estos dos tipos de formación de haces.

Los controladores de formación de haces en arreglo de fase mostrados a continuación son todos controladores de formación de haces analógicos ya que la formación de haces digital todavía está siendo desarrollada y comercializada, espera que esta otra clase de formadores de haces se vuelva ampliamente disponible en el futuro.

Renesas, F5260AVGK

El controlador de formación de haces F5260AVGK de Renesas es un formador de haces analógico de 8 canales que opera de 24 a 28 GHz. Esto lo hace útil para aplicaciones como módulos de radar de corto alcance con una direccionalidad algo baja, por ejemplo, sensores de respaldo. Este componente opera en modo half-duplex con doble polarización para aplicaciones de arreglo de fase. El rango de frecuencia también es útil en aplicaciones 5G con 4x4 MIMO. Cada canal incluye control de ganancia integrado y control de fase preciso para un direccionamiento de haz exacto con largo alcance. El control se logra a través de SPI hasta 50 MHz. Otros componentes que operan en otros rangos de frecuencia también están disponibles en la línea F5XXX y F6XXX de Renesas.

Anokiwave, AWMF-0139

El circuito integrado de formación de haces AWMF-0139 de Anokiwave es otro componente que permite el uso masivo de MU-MIMO en 5G, aunque la salida de frecuencia es adecuada para radar de corto alcance u otras aplicaciones especializadas de RF. Otros componentes de la serie AWMF admiten otros rangos de frecuencia hasta 40 GHz. Estos componentes también proporcionan un control fino de ganancia y fase que se necesita para la comunicación half-duplex, haciéndolos competitivos con el componente de Renesas mostrado anteriormente. Las aplicaciones ideales para el AWMF-0139 incluyen sistemas MIMO para 5G y otras tecnologías inalámbricas.

Peregrine Semiconductor, PE19601

El controlador de formación de haces PE19601 de Peregrine Semiconductor es ideal para aplicaciones de radar en banda X (8-12 GHz) donde se requiere la formación de haces (por ejemplo, radar de corto alcance en autos nuevos). Este componente ofrece amplificación integrada con alta linealidad (OIP3 a +40 dBm) con cambios de fase controlados con precisión de 10 bits. La aislación entre cada salida de línea de alimentación de antena también es bastante alta (50 dB).

Otros Componentes para la Formación de Haces en Arreglos en Fase

Los frontales de RF están experimentando más integración que nunca, y en frecuencias más altas que nunca. Cuando necesites diseñar tu placa con control y recepción de formación de haces en arreglo en fase, aquí tienes otros componentes que necesitarás para tu sistema:

• Amplificadores de potencia RF

• Antenas RF

• Componentes pasivos para redes de adaptación

• Transceptores RF

La formación de haces se está volviendo más fácil gracias a los componentes controladores de formación de haces en arreglo en fase. Cuando necesites encontrar nuevos componentes de formación de haces para tu próximo producto RF/inalámbrico, intenta usar las características avanzadas de búsqueda y filtrado en Octopart. Octopart te ofrece una solución completa para la adquisición de electrónicos y la gestión de la cadena de suministro. Echa un vistazo a nuestra página de semiconductores RF integrados para comenzar a buscar los componentes que necesitas.

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