ICs e Design de Sistemas de Formação de Feixe em Arranjo Fásico

Assim como em outras áreas de aplicação, a integração é abundante e tem ajudado a reduzir drasticamente os tamanhos dos sistemas. Produtos de IoT, telecomunicações, automotivos e muitas outras áreas se beneficiam da integração fornecida por SoCs e outros ICs. Tecnologias de RF que dependem de formação de feixe estão vendo seu próprio nível de integração, e um IC de formação de feixe em arranjo de fase é exatamente o que um sistema compacto precisa para fornecer formação de feixe e, em sistemas compatíveis com 5G, MIMO.

O 5G ajudou a tornar a formação de feixe uma nova palavra de ordem tecnológica, mas a formação de feixe tem usos fora das telecomunicações. Radar com varredura de frequência, transferência de energia sem fio de longo alcance e V2X são algumas áreas onde a formação de feixe é útil para fornecer transferência de dados/energia de longo alcance com controle direcional. Quando você precisa de controle de arranjo de fase em seu novo sistema, considere um desses controladores de formação de feixe.

Controle de Feixe em Formação de Feixe de Arranjo de Fase

A formação de feixe a partir de uma superfície plana, como uma PCB, pode ser realizada com um arranjo de antenas de fase. Essas antenas podem ser impressas diretamente na PCB, ou podem ser antenas externas (por exemplo, antena tipo rubber ducky). O sinal enviado a cada antena no arranjo é ligeiramente deslocado em fase, e o feixe resultante é formado devido à interferência entre cada antena. Colocando apenas o atraso certo entre os sinais enviados a diferentes antenas, você pode controlar a direção do feixe resultante.

Seu IC de formação de feixe de arranjo de fase controla esse atraso entre diferentes elementos da antena, controlando assim o feixe emitido. Esses ICs são componentes de RF de alta frequência que são tipicamente combinados com outros componentes. O diagrama abaixo mostra a arquitetura típica de uma frente de RF integrada com formação de feixe.

Os vários blocos neste diagrama podem ser integrados com diferentes níveis em vários componentes. Para o controlador de formação de feixe, algumas partes da frente podem ser integradas no IC, então tenha cuidado ao adicionar amplificação ou filtragem adicional na saída. O formador de feixe só pode se conectar a um pequeno número de antenas, então controlar um arranjo maior requer vários ICs de formação de feixe, possivelmente com vários transceptores. Algo como um módulo de radar com varredura de frequência só precisa de até 4 antenas patch alimentadas pelo centro, enquanto um sistema MIMO 4x4 ou 8x8 pode precisar de um enorme arranjo de antenas para fornecer formação de feixe em vários canais. Um único transceptor de RF também poderia ser usado com um interruptor de antena para expandir o tamanho do arranjo também.

Um circuito integrado de formação de feixe de arranjo em fases é fácil de usar com duplexação por domínio de tempo (TDD) ou duplexação por domínio de frequência (FDD). Para TDD, um interruptor na extremidade da antena simplesmente alterna o caminho do sinal entre os lados Rx e Tx do controlador de formação de feixe de arranjo em fases. Para FDD, você precisará adotar uma abordagem mais criativa, pois precisará enviar e receber em bandas diferentes simultaneamente. A comunidade de pesquisa ainda está trabalhando na arquitetura de IC para possibilitar FDD com formação de feixe em uma única unidade transceptora. Até lá, existem unidades transceptoras de dois canais para rádio FDD que podem suportar controle de feixe com vários controladores de formação de feixe de arranjo em fases.

Tipos de Controladores de Formação de Feixe

No lado de recepção, a formação de feixe vem em duas variedades, e você precisará selecionar seus componentes para acomodar qualquer tipo de formação de feixe. Note que os diferentes tipos de formação de feixe também afetam o layout da sua PCB. Esses dois tipos de formação de feixe são digital e analógico.

Na formação de feixe analógica, um dos sinais Tx é alimentado a um elemento de antena passando por um elemento de deslocamento de fase, (por exemplo, filtros e amplificadores). Atualmente, a formação de feixe analógica é, sem dúvida, a maneira mais econômica de construir um arranjo de formação de feixe, mas cada controlador de formação de feixe só pode ser usado com um único feixe. Na formação de feixe digital, a entrada em cada elemento de antena é convertida para um sinal digital com um ADC integrado. Isso proporciona uma reconstrução de direcionalidade mais precisa do feixe recebido. Finalmente, a formação de feixe híbrida é uma mistura entre esses dois tipos de formação de feixe.

Os controladores de formação de feixe de arranjo em fases mostrados abaixo são todos controladores de formação de feixe analógicos, pois a formação de feixe digital ainda está sendo desenvolvida e comercializada, espere que essa outra classe de formadores de feixe se torne amplamente disponível no futuro.

Renesas, F5260AVGK

O controlador de formação de feixe F5260AVGK da Renesas é um formador de feixe analógico de 8 canais operando de 24 a 28 GHz. Isso o torna útil para aplicações como módulos de radar de curto alcance com direcionalidade um tanto baixa, por exemplo, sensores de ré. Este componente opera em modo half-duplex com polarização dupla para aplicações de arranjo em fases. A faixa de frequência também é útil em aplicações 5G com MIMO 4x4. Cada canal inclui controle de ganho integrado e controle de fase preciso para direcionamento de feixe preciso com longo alcance. O controle é alcançado por SPI de até 50 MHz. Outros componentes operando em outras faixas de frequência também estão disponíveis na linha F5XXX e F6XXX da Renesas.

Anokiwave, AWMF-0139

O AWMF-0139 beamforming IC da Anokiwave é outro componente que possibilita o MU-MIMO massivo em 5G, embora a saída de frequência seja apropriada para radar de curto alcance ou outras aplicações especializadas de RF. Outros componentes da série AWMF suportam outras faixas de frequência até 40 GHz. Esses componentes também fornecem controle fino de ganho e fase, que é necessário para comunicação half-duplex, tornando-os competitivos com o componente da Renesas mostrado acima. Aplicações ideais para o AWMF-0139 incluem sistemas MIMO para 5G e outras tecnologias sem fio.

Peregrine Semiconductor, PE19601

O controlador de beamforming PE19601 da Peregrine Semiconductor é ideal para aplicações de radar em banda X (8-12 GHz) onde o beamforming é necessário (por exemplo, radar de curto alcance em carros novos). Este componente oferece amplificação integrada com alta linearidade (OIP3 a +40 dBm) com deslocamentos de fase controlados com precisão de 10 bits. A isolação entre cada saída da linha de alimentação da antena também é bastante alta (50 dB).

Outros Componentes para Beamforming de Array Faseado

As fronteiras de RF estão vendo mais integração do que nunca, e em frequências mais altas do que nunca. Quando você precisa projetar sua placa com controle e recepção de beamforming de array faseado, aqui estão alguns outros componentes que você precisará para o seu sistema:

• Amplificadores de potência RF

• Antenas RF

• Passivos para redes de casamento

• Transceptores RF

O beamforming está se tornando mais fácil graças aos componentes controladores de beamforming de array faseado. Quando você precisar encontrar novos componentes de beamforming para o seu próximo produto RF/wireless, tente usar os recursos avançados de busca e filtragem no Octopart. O Octopart oferece uma solução completa para sourcing de eletrônicos e gestão da cadeia de suprimentos. Dê uma olhada na nossa página de semicondutores RF integrados para começar a procurar pelos componentes de que você precisa.

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