Circuiti integrati e progettazione di sistemi per Beamforming a formazione di fasci in fase

Come in altri ambiti applicativi, l'integrazione è diffusa e ha contribuito a ridurre drasticamente le dimensioni dei sistemi. Prodotti IoT, telecomunicazioni, automotive e molte altre aree beneficiano dell'integrazione fornita da SoC e altri circuiti integrati. Le tecnologie RF che si affidano al beamforming stanno vedendo il proprio livello di integrazione, e un IC per beamforming a array di fase è proprio ciò che serve a un sistema compatto per fornire beamforming e, nei sistemi capaci di 5G, MIMO.

Il 5G ha contribuito a rendere il beamforming una nuova parola d'ordine tecnologica, ma il beamforming ha utilizzi al di fuori delle telecomunicazioni. Radar a impulsi modulati, trasferimento di energia wireless a lungo raggio e V2X sono alcune aree in cui il beamforming è utile per fornire trasferimento di dati/energia a lungo raggio con controllo direzionale. Quando hai bisogno di controllo a array di fase nel tuo nuovo sistema, considera uno di questi controller per beamforming.

Controllo del fascio in beamforming a array di fase

Il beamforming da una superficie piana, come un PCB, può essere realizzato con un array di antenne a fase. Queste antenne possono essere stampate direttamente sul PCB, o possono essere antenne esterne (ad esempio, antenna a bastoncino di gomma). Il segnale inviato a ciascuna antenna nell'array è leggermente sfasato in fase, e il fascio risultante si forma a causa dell'interferenza tra ciascuna antenna. Posizionando il giusto ritardo tra i segnali inviati a diverse antenne, è possibile controllare la direzione del fascio risultante.

Il tuo IC per beamforming a array di fase controlla questo ritardo tra i diversi elementi dell'antenna, controllando così il fascio emesso. Questi IC sono componenti RF ad alta frequenza che tipicamente vengono combinati con altri componenti. Il diagramma a blocchi qui sotto mostra l'architettura tipica di un front-end RF integrato con il beamforming.

I vari blocchi in questo diagramma potrebbero essere integrati con diversi livelli in vari componenti. Per il controller di beamforming, alcune parti del front-end possono essere integrate nel IC, quindi fai attenzione ad aggiungere ulteriore amplificazione o filtrazione all'uscita. Il beamformer può collegarsi solo a un numero limitato di antenne, quindi controllare un array più grande richiede più IC per beamforming, possibilmente con multipli trasmettitori. Qualcosa come un modulo radar a impulsi modulati ha bisogno solo di fino a 4 antenne patch alimentate al centro, mentre un sistema MIMO 4x4 o 8x8 potrebbe necessitare di un enorme array di antenne per fornire beamforming su più canali. Anche un singolo trasmettitore RF potrebbe essere utilizzato con un interruttore di antenna per espandere le dimensioni dell'array.

Un circuito integrato per beamforming a array di fase è facile da usare con il duplexing nel dominio del tempo (TDD) o nel dominio della frequenza (FDD). Per il TDD, un interruttore all'estremità dell'antenna semplicemente cambia il percorso del segnale tra i lati Rx e Tx del controller per beamforming a array di fase. Per l'FDD, sarà necessario adottare un approccio più creativo poiché sarà necessario inviare e ricevere in bande diverse simultaneamente. La comunità di ricerca sta ancora lavorando sull'architettura dei circuiti integrati per abilitare l'FDD con beamforming in un'unità trasmettitrice unica. Fino ad allora, ci sono unità trasmettitrici a due canali per la radio FDD che possono supportare il controllo del fascio con più controller per beamforming a array di fase.

Tipi di Controller per Beamforming

Sul lato di ricezione, il beamforming si presenta in due varietà, e sarà necessario selezionare i componenti per accomodare entrambi i tipi di beamforming. Nota che i diversi tipi di beamforming influenzano anche il layout del PCB. Questi due tipi di beamforming sono digitale e analogico.

Nel beamforming analogico, uno dei segnali Tx viene inviato a un elemento dell'antenna passandolo attraverso un elemento di spostamento di fase, (ad es., filtri e amplificatori). Attualmente, il beamforming analogico è probabilmente il modo più economico per costruire un array di beamforming, ma ogni controller di beamforming può essere usato solo con un singolo fascio. Nel beamforming digitale, l'ingresso in ogni elemento dell'antenna è convertito in un segnale digitale con un ADC integrato. Questo permette una ricostruzione della direzionalità del fascio ricevuto più accurata. Infine, il beamforming ibrido è un mix tra questi due tipi di beamforming.

I controller per beamforming a array di fase mostrati di seguito sono tutti controller di beamformer analogici poiché il beamforming digitale è ancora in fase di sviluppo e commercializzazione, aspettatevi che questa altra classe di beamformers diventi ampiamente disponibile in futuro.

Renesas, F5260AVGK

Il controller di beamforming F5260AVGK di Renesas è un beamformer analogico a 8 canali che opera da 24 a 28 GHz. Questo lo rende utile per applicazioni come moduli radar a corto raggio con direzionalità piuttosto bassa, ad es., sensori di retromarcia. Questo componente opera in modalità half-duplex con doppia polarizzazione per applicazioni a array di fase. La gamma di frequenze è utile anche nelle applicazioni 5G con 4x4 MIMO. Ogni canale include controllo del guadagno integrato e controllo preciso della fase per una precisa direzione del fascio a lungo raggio. Il controllo è ottenuto tramite SPI fino a 50 MHz. Altri componenti che operano in altre gamme di frequenze sono disponibili anche nella linea F5XXX e F6XXX di Renesas.

Anokiwave, AWMF-0139

Il circuito integrato per beamforming AWMF-0139 di Anokiwave è un altro componente che abilita il massiccio MU-MIMO in 5G, sebbene la frequenza di uscita sia adatta per radar a corto raggio o altre applicazioni RF specialistiche. Altri componenti della serie AWMF supportano altre gamme di frequenza fino a 40 GHz. Questi componenti forniscono anche un controllo fine del guadagno e della fase, necessario per la comunicazione half-duplex, rendendoli competitivi con il componente Renesas mostrato sopra. Le applicazioni ideali per l'AWMF-0139 includono sistemi MIMO per 5G e altre tecnologie wireless.

Peregrine Semiconductor, PE19601

Il controller per beamforming PE19601 di Peregrine Semiconductor è ideale per applicazioni radar nella banda X (8-12 GHz) dove è richiesto il beamforming (ad esempio, radar a corto raggio nelle nuove auto). Questo componente offre un'amplificazione integrata con alta linearità (OIP3 a +40 dBm) con spostamenti di fase controllati con precisione di 10 bit. L'isolamento tra ciascuna uscita della linea di alimentazione dell'antenna è anche molto alto (50 dB).

Altri Componenti per il Beamforming a Array Fasato

Le frontiere RF stanno vedendo una maggiore integrazione che mai, e a frequenze più alte che mai. Quando hai bisogno di progettare la tua scheda con controllo e ricezione del beamforming a array fasato, ecco alcuni altri componenti di cui avrai bisogno per il tuo sistema:

• Amplificatori di potenza RF

• Antenne RF

• Passivi per reti di adattamento

• Trasmettitori-ricevitori RF

Il beamforming sta diventando più semplice grazie ai componenti controller per beamforming a array fasato. Quando hai bisogno di trovare nuovi componenti per beamforming per il tuo prossimo prodotto RF/wireless, prova a utilizzare le funzionalità avanzate di ricerca e filtraggio in Octopart. Octopart ti offre una soluzione completa per l'approvvigionamento e la gestione della catena di fornitura elettronica. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui semiconduttori RF integrati per iniziare la ricerca dei componenti di cui hai bisogno.

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