Transceptores 5G de última generación

Un nuevo transceptor de matriz en fase de ondas milimétricas supera los problemas de los diseños convencionales, produciendo energía y eficiencia de área excepcionales y superando a otros transceptores 5G de última generación. Ha sido desarrollado por investigadores de Tokyo Tech y NEC Corporation gracias a un novedoso formador de haces de matriz en fase para la banda de ondas milimétricas (mmWave) de 5G.

Su diseño innovador aplica dos técnicas bien conocidas, el amplificador Doherty y la predistorsión digital.

Superando limitaciones tecnológicas de la red 5G

Algunas bandas de frecuencia asignadas para 5G no se utilizan de manera efectiva debido a limitaciones tecnológicas. Estas bandas de frecuencia incluyen la banda New Radio (NR) de 39 GHz, pero en realidad abarcan desde 37 GHz hasta 43,5 GHz, según el país. La banda NR ofrece ventajas notables en el rendimiento sobre otras bandas de frecuencia más bajas que las redes 5G usan hoy.

Por ejemplo, permite una latencia ultrabaja en la comunicación junto con velocidades de datos de más de 10 Gb/s y una capacidad masiva para acomodar a varios usuarios.

Sin embargo, estas hazañas tienen un costo. Las señales de alta frecuencia se atenúan rápidamente a medida que viajan por el espacio. Por lo tanto, es crucial que la potencia transmitida se concentre en un haz estrecho dirigido directamente al receptor. En principio, esto se puede lograr utilizando formadores de haces de matriz en fase, dispositivos de transmisión compuestos por una matriz de antenas cuidadosamente controladas en fase.

Sin embargo, trabajar en regiones de alta frecuencia de la banda NR disminuye la eficiencia de los amplificadores de potencia, ya que tienden a sufrir problemas de no linealidad que distorsionan la señal transmitida.

Para abordar estos problemas, un equipo de investigadores dirigido por el profesor Kenichi Okada del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo tech), Japón, desarrolló recientemente, en un nuevo estudio, un novedoso formador de haz de matriz en fase para estaciones base 5G. Su diseño adapta dos técnicas bien conocidas, a saber, el amplificador Doherty y la predistorsión digital (DPD), en un transceptor de matriz en fase mmWave, pero con algunos cambios. Los investigadores presentaron sus hallazgos en el Simposio IEEE 2022 sobre tecnología y circuitos VLSI.

Una tecnología de 1936 para el siglo XXI

El amplificador Doherty, desarrollado en 1936, ha experimentado un resurgimiento en los dispositivos de telecomunicaciones modernos debido a su buena eficiencia energética y su idoneidad para señales con una alta relación pico-promedio (como las señales 5G). El equipo de Tokyo Tech modificó el diseño del amplificador Doherty convencional y produjo un amplificador bidireccional. Lo que esto significa es que el mismo circuito puede amplificar una señal para transmitir y una señal recibida con poco ruido. Esto cumplió el papel crucial de amplificación tanto para la transmisión como para la recepción. «Nuestra implementación bidireccional propuesta para el amplificador es muy eficiente en el área. Además, gracias a su codiseño con una tecnología de empaquetado a escala de chip a nivel de oblea, permite una baja pérdida de inserción».

Esto significa que se pierde menos energía a medida que la señal atraviesa el amplificador», explica el profesor Okada.

Sin embargo, a pesar de sus varias ventajas, el amplificador Doherty puede exacerbar los problemas de no linealidad que surgen de los desajustes en los elementos de la antena de matriz en fase. El equipo abordó este problema de dos maneras. Primero, emplearon la técnica DPD, que consiste en distorsionar la señal antes de la transmisión para cancelar efectivamente la distorsión introducida por el amplificador. Su implementación, a diferencia de los enfoques DPD convencionales, utilizó una tabla de consulta compartida (LUT) para todas las antenas, lo que minimiza la complejidad del circuito. En segundo lugar, introdujeron capacidades de compensación de desajuste entre elementos en la matriz en fase, mejorando su linealidad general. «Comparamos el dispositivo propuesto con otros transceptores de matriz en fase 5G de última generación y descubrimos que, al compensar los desajustes entre elementos en el módulo DPD de LUT compartida, el nuestro demuestra una fuga de canal adyacente inferior y un error de transmisión», comenta el profesor Okada.