A medida que la industria celular sigue avanzando para satisfacer la necesidad de mayores velocidades de datos, menor latencia y mayor fiabilidad, el diseño de los sistemas de radiofrecuencia ha vuelto a convertirse en el cuello de botella de cualquier dispositivo o red celular que pretenda suministrar más datos a más usuarios en casos de uso más exigentes.
Mientras que
Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) sigue publicando más especificaciones que abordan las demandas emergentes y empujan al sector a adentrarse en la era de la 5G, también surgen confusiones y malentendidos que hacen dudar a los OEM de dispositivos sobre los planes de lanzamiento de sus productos 5G de próxima generación.
El diseño de la antena es, con mucho, la parte más confusa de este proceso, ya que depende casi por completo del factor de forma del dispositivo final y de las preferencias de los OEM.
Desde el principio, Digi Wireless Design Services ha estado a la vanguardia de las tecnologías emergentes. Cuenta con una larga lista de socios en el sector del diseño de dispositivos inalámbricos y un historial probado de éxito en el diseño de dispositivos inalámbricos. En este blog, ofrecemos información sobre el diseño de antenas de dispositivos de equipos de usuario (UE) 5G.
Nuevas características del 5G y su diferencia con el actual 4G LTE
Para entender la razón por la que el 5G puede ofrecer una velocidad de datos mucho más alta que la actual tecnología 4G, podría ser útil mirar primero el teorema de Shannon-Hartley:
C = M * B log2(1 + S/N)
- C es la capacidad del canal en bits/segundo
- M es el número de canales
- B es el ancho de banda de cada canal
- S/N es la relación señal/ruido
En realidad, se trata de una intuición basada en el teorema de que, para tener una mayor capacidad de canal, hay que realizar mejoras para ajustar el sistema M, B y S/N. La 5G, que evoluciona a partir de la 4G, implementa en su arquitectura algunas técnicas bien conocidas y existentes desde hace tiempo para mejorar su capacidad de canal:
- Agregación de portadoras (CA) > Mayor ancho de banda (B)
- Arquitectura MIMO (Multiple-in-multiple-out) > aumenta el número de canales (M)
- Asignación de nuevas bandas de frecuencia > Aumento del ancho de banda (B)
- Adoptar adaptativamente esquemas de modulación de orden superior > S/N y B
En comparación con el 4G, el 5G lleva el mismo conjunto de técnicas al siguiente nivel de capacidad y complejidad. Esto lleva inevitablemente al diseño de las antenas de los dispositivos 5G a un nivel superior para adaptarse a los requisitos cada vez mayores de mayor ancho de banda, más bandas de frecuencia y mejor inmunidad a las interferencias.
Cómo las nuevas características del 5G crean nuevos retos de diseño de antenas
Para planificar y diseñar antenas para la funcionalidad de la 5G, es importante entender los retos y cómo abordarlos. Aquí repasamos esas consideraciones.
Sistema de antena sintonizable activamente
Debido a las estrictas limitaciones de tamaño, los dispositivos inalámbricos modernos suelen utilizar sintonizadores de antena activos como medio eficaz para reducir el tamaño de la antena. Puede sintonizar la antena de forma inteligente en función de los cambios en el entorno operativo, la banda de frecuencia y la cobertura del ancho de banda. Con un orden potencialmente más alto de CA en 5G y bandas celulares adicionales, el sistema de sintonización de antena debe ser capaz de soportar más estado de sintonización, así como un mayor ancho de banda de frecuencia por estado de sintonización.
Nuevas bandas de frecuencia
Según la versión 15 del 3GPP, se utilizarán dos rangos de frecuencia básicos (FR1 y FR2) para la 5G:
FR1: 410 MHz a 7,125 GHz; FR2: 24,25 a 52,6 GHz
En el FR1, el 5G adopta las bandas de 3,3 ~ 3,8, 3,8 ~ 4,2 y 4,4 ~ 4,9 GHz además de las bandas sub-3GHz existentes en el 4G LTE. Esto plantea nuevos requisitos para que las antenas celulares proporcionen coberturas de frecuencia adicionales en el rango de frecuencias sub-6GHz.
Cuadro 1: Bandas operativas de la Nueva Radio (NR) 5G en FR1 1
La FR2, o gama de frecuencias de las ondas milimétricas, ofrece un ancho de banda extremadamente amplio, de hasta 2 GHz en algunas regiones. Los dispositivos o sistemas que pretenden aprovechar este amplio ancho de banda requieren diseños de antena fundamentalmente diferentes. Como la pérdida de propagación de la señal es inversamente proporcional a la longitud de onda de la misma, las señales de ondas milimétricas sufren graves pérdidas en el trayecto. Para compensar las pérdidas de trayecto, el aumento de la ganancia de la antena mediante el diseño de antenas phased-array se convierte en una solución fiable reconocida por la industria. El diseño de phased-array abre un ámbito completamente nuevo de diseño de antenas que no está presente en 4G.
Cuadro 2: Bandas operativas de la Nueva Radio (NR) 5G en la FR2 1
El diseño de sistemas de antenas es un reto debido a la coexistencia
La funcionalidad MIMO requiere la coexistencia de varias antenas en un dispositivo y su funcionamiento en las mismas bandas de frecuencia. La tecnología en sí ya se ha utilizado en la red 4G LTE en forma de SU-MIMO y MU-MIMO (Single-user MIMO y Multiple-user MIMO).
En la 5G, la tecnología Massive-MIMO (mMIMO) será un elemento necesario para llevar la capacidad de la célula y la velocidad de descarga de datos del equipo de usuario al siguiente nivel. Aunque la mayoría de las especificaciones de antenas mMIMO y las revisiones tecnológicas se centran hoy en día en el lado de la estación base, donde se necesitan 32 o más puertos de antena lógicos, se espera que el número de antenas en el UE también aumente.
Además, debido a la habilitación de la tecnología de Acceso Múltiple en 5G, Bluetooth/WLAN, celular, etc. transmiten más a menudo en el UE simultáneamente, el problema de coexistencia de antenas sólo puede ser más complicado de resolver. Si no se solucionan adecuadamente, los problemas de coexistencia de antenas pueden provocar una reducción del alcance de las comunicaciones, un punto ciego inesperado o incluso una caída esporádica de la calidad de la conectividad.
La figura 1 muestra un ejemplo de pérdida de eficiencia de la antena debido a la coexistencia. Las antenas deben estar estratégicamente dispuestas en un UE 5G para lograr toda la potencia de MIMO.
Figura 1: Reducción de la eficiencia de la antena al pasar de un sistema SISO a uno MIMO
Enfoques de diseño para los nuevos retos del diseño de antenas 5G
Ahora que hemos cubierto algunos de los desafíos, vamos a discutir algunas consideraciones de diseño que pueden ayudar a asegurar el éxito.
Enfoque de diseño de antenas por debajo de 6 GHz
Las antenas 5G pueden dividirse en dos categorías según su frecuencia de funcionamiento: Sub-6GHz y mmWave. Si comparamos el 5G sub-6 GHz con el LTE 4G, los conceptos de diseño del front-end de RF del sistema y de la antena serán muy similares, con la única diferencia de la complejidad lateral. Esto significa que, al pasar de 4G a 5G sub-6 GHz, se utilizará el mismo conjunto de componentes en el lado del sistema y la antena seguirá siendo una antena omnidireccional independiente (frente a un conjunto).
En esta gama de frecuencias, los tipos de antena habituales, como la antena dipolo, la antena monopolo, la PIFA, la IFA, la antena de bucle, etc., seguirán desempeñando un papel dominante, como ha ocurrido en 2G/3G/4G. Los factores de forma de las antenas pueden variar desde una simple antena de trazado impreso hasta una intrincada antena de estructuración directa por láser (LDS).
El conflicto entre los requisitos de menor tamaño del dispositivo y mayor ancho de banda de la antena seguirá siendo el principal reto, sólo que mucho más difícil que antes. Una solución viable a este enfrentamiento cada vez más intenso es diseñar un sistema de antena activa.
Los sistemas de antenas activas más habituales pueden dividirse en dos categorías: adaptación de impedancia activa y sintonización de apertura de la antena. La técnica de adaptación de impedancia activa permite al sistema de antena seleccionar entre diferentes redes de adaptación de impedancia en función de los cambios en las condiciones de funcionamiento, mientras que la sintonización de apertura activa modifica directamente las características intrínsecas de la antena.
Figura 2: Diagrama de adaptación activa (izquierda) y de apertura activa (derecha)
Los fabricantes de dispositivos también pueden aprovechar las ventajas de las antenas estándar para simplificar el proceso de diseño de la antena. Sin embargo, al igual que ocurre con el 4G, las mismas OTS se comportarán de forma diferente cuando se sitúen en distintos dispositivos, ya que las distintas placas de circuito impreso proporcionan una referencia de RF diferente aunque las propias antenas sean las mismas. Como mínimo, los fabricantes de equipos originales deberían contar con redes de adaptación de antenas personalizadas para cualquier antena OTA seleccionada.
Enfoque de diseño de antenas para ondas milimétricas
En las frecuencias de ondas milimétricas, varias pérdidas en el trayecto de propagación de la señal limitan en gran medida el tamaño de la célula y la ventaja del ancho de banda puede quedar muy enmascarada por los problemas de cobertura de la conectividad. Para compensar la pérdida del trayecto de la señal, se necesitan antenas phased-array debido a su capacidad de obtener una ganancia muy alta (dBi).
El diseño de una antena phased-array para 5G mmWave requiere un conocimiento mucho mayor de los conceptos fundamentales de diseño de antenas, las prácticas de diseño de antenas array, el comportamiento de la propagación de la señal mmWave, y mucho más. Como mínimo, una antena phased-array debe ser capaz de dirigir y optimizar el haz de radiación para maximizar el pico de EIRP (dBm) hacia un dispositivo móvil receptor dentro de su sector celular. Una antena phased-array bien diseñada para 5G también debe tener en cuenta la polarización dual, minimizar el tamaño del array, mitigar el nivel de lóbulos laterales, mejorar el rango de ángulo de dirección del haz y la resolución, suprimir el ruido del sistema, mejorar la eficiencia energética, etc.
Las pruebas de las antenas de ondas milimétricas también presentan obstáculos de ingeniería. La calibración y la configuración a estas altas frecuencias, en las que las pérdidas en la configuración son más pronunciadas que en las frecuencias 4G, suponen una complejidad adicional. Las estimaciones conservadoras sugieren que los equipos de capital para estas pruebas pueden requerir inversiones de más de un millón de dólares. Por tanto, es fundamental elegir un socio de pruebas que entienda las especificaciones y los procedimientos.
Acerca de los servicios de diseño de Digi Wireless
El equipo de servicios de diseño de Digi Wireless ofrece servicios de ingeniería de desarrollo de productos que le ayudan a crear la solución adecuada para sus planes de 5G. Tenemos la experiencia, el equipo, la infraestructura y las herramientas de prueba para ayudarle a diseñar las antenas 5G adecuadas para sus necesidades. Para cualquier consulta, visite la
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