بهرهگیری از باند فرکانسی امواج میلیمتری[1] نقشی اساسی در تحقق کامل اهداف شبکه 5G دارد. در این مسیر، یکی از چالشهای بزرگ، عملکرد تلفنهای همراه در این باند فرکانسی است. از جمله این چالشها عبارتاند از:
- اطمینان حاصل کردن از پوشش آنتن بدون درنظر گرفتن جهت گوشی و مکان قرارگیری دست
- حفظ حاشیههای لینک کافی در هنگام ارسال و دریافت
- بیشینهسازی عمر باتری گوشی
- کمینهسازی افزایش دمای ماژول و گوشی با طراحی حرارتی
- کوچکسازی اندازه رادیو موجمیلیمتری، بهگونهای که با فرم فاکتوریِ مطابق با یک گوشی همخوان باشد
در ماه جولای ۲۰۱۸، شرکت Qualcomm Technologies خانواده ماژولهای آنتن موج میلیمتری QTM052 را برای تلفنهای همراه معرفی کرد که اولین نمونه معرفی شده در صنعت بود. با استفاده از مودم Snapdragon X50 5G، سیستم تجمیعشده[2] شامل آنتن تا پردازشهای باند پایه[3] است که مشخصات 5G New Radio (NR) را از استاندارد Release 15 توسط [4]3GPP برآورده میسازد. سپس در ماه اکتبر، کوالکام طراحی ماژول جدیدی را به خانواده QTM052 اضافهکرد که با کاهش ۲۵ درصدی اندازه، امکان نصب ماژول را در لبههای گوشیهای نازکتر فراهم میکند.
در حال حاضر QTM052 سه باند 5G را پوشش میدهد که شامل باند 5/26 تا 5/28 گیگاهرتز (n257) و همچنین پوشش کامل باندهای 5/27 تا 35/28 گیگاهرتز (n261) و 37 تا 40 گیگاهرتز (n260) است. از نظر عملکرد، QTM052 شامل یک آنتن آرایه فازی، فرستنده-گیرنده[5] رادیویی و مدیریت توان است. این ماژول به مودم Qualcomm X50 5G متصل میشود، که وظیفه کنترل شکلدهی پرتو[6] و هدایت پرتو را بر عهده دارد. در ادامه بخشهای مختلف این ماژول و نحوه عملکرد آنها معرفی شدهاند.
آرایه آنتن
گزینههای مختلفی برای آنتن وجود دارد که هم در قسمت صفحه نمایش و هم در لبه گوشی قرار میگیرند. آزمایشهای Qualcomm نشانمیدهد که هر دو جهتگیری دارای عملکرد مشابهی هستند، بنابراین انتخاب بین آنها بستگی به مصالحههای دیگر طراحی مانند ضخامت گوشی دارد. چندین ماژول آنتن در قسمتهای مختلفی در گوشی قرار میگیرند تا پوشش مناسب در جهتگیریهای مختلف گوشی و همچنین جبرانسازی برای اتلاف توان زیاد سیگنال توسط دست را ایجاد کنند. تضعیف ناشی از دست انسان در شکل 1 نمایش دادهشدهاست.
شکل 1: شبیهسازی الکترومغناطیسی تلفن همراه برای نمایش تضعیف سیگنال موجمیلیمتری ناشی از نگهداشتن گوشی در دست [1]
شکل 2: الگوهای آنتن آرایهای پچ با قطبش عمودی که هدایت پرتو را بین زوایای 45+ و 45- درجه نشانمیدهد [1]
آرایههای آنتنی[7] شامل آنتنهای پچ[8] یا دوقطبی[9] هستند که میتوانند دارای قطبش[10] تکی یا دوتایی[11] خطی باشند. این آرایهها هدایت پرتو را بین زوایای 45± درجه حول محور عمودی آنتن انجام میدهند. بهره[12] یک آرایه آنتنی در شکل 2 نمایش داده شده است.
شکل 3: نمودار بلوک تجسمی از فرستنده-گیرنده RFIC
فرستنده-گیرنده
مدار مجتمع فرکانس رادیویی (RFIC13) فرستنده-گیرنده که با استفاده از فرآیند سیلیکون تولید میشود، کانالهای فرستنده و گیرنده را برای هر عنصر آنتن یکپارچه میکند و همچنین تبدیل فرکانس بین RF و IF را فراهم میکند. تبدیل بالارو[14] و پایینرو[15] روی تراشه شامل میکسر[16]، نوسانساز کنترل شده با ولتاژ (VCO)[17] با ضربکننده و حلقه قفل فاز (PLL)[18] است. شکل 3 بلوک تجمعی این RFIC را نمایش میدهد. تقویتکننده توانی که در ساختار فرستنده وجود دارد، میتواند dBm 10 تا dBm 15 توان خروجی فراهم کند. خروجی آن به حدود dBm 6 تا dBm 8 تنظیم میشود. سوئیچ فرستنده / گیرنده (T/R) در آنتن در مسیر گیرندگی قرار میگیرد تا توان خروجی کاهش نیابد. همچنین در سمت گیرنده از یک تقویت کننده کمنویز[19] استفاده شدهاست تا عملکرد لینک فروسو[20] حتی با وجود تلف سوئیچ T/R، محدود نشود. مدار دیجیتال روی تراشه[21] درون ساختار فرستنده-گیرنده، فرمانهای از سمت مودم X50 را برای کنترل وضعیت T/R و همچنین دامنه و فاز هر المان آنتن، ترجمه میکند. همچنین تنظیم دامنه و هدایت پرتو توسط شیفتدهندههای فاز و تضعیفکنندههای داخل ساختار فرستنده-گیرنده، تنظیم میشوند. RFICهای فرستنده-گیرنده در آرایههای شبکهای توپی[22] بهصورت flip-chip بستهبندیشدهاند و در قسمت پشتی بُردی که شامل آرایه آنتن است، نصب میشوند. شکل 4 این RFICها را نمایش میدهد.
شکل 4: ترازگرهای RFIC بهسمت پشت بردی که شامل آرایههای آنتن است، نصب میشوند [1]
EIRP و تلف توان
برد کوتاه لینکهای موجمیلیمتری، توان خروجی در دسترس از تقویتکنندههای توان و همچنین فرم فشرده گوشی موبایل، چالشهایی را برای طراحی QTM052 بهمنظور دستیابی به توان خروجی مطلوب و کاهش تلف توان به وجود آوردهاست. همان گونه که اشاره شد، تقویتکننده توان سیلیکونی میتواند در ۲۸ گیگاهرتز ۱۰ تا dBm 15 توان خروجی ارائه دهد. یک آنتن پچِ نصف طول موج[23]، دارای بهره حدود dBi 5 است و یک آرایه 2 در 2 میتواند توان مجموع dB 6 و توان شکلدهی پرتو dB 6 داشته باشد. استفاده از قطبش تکی مقدار dB 3 دیگر نیز اضافه میکند که در نهایت بهره آنتن را dB 20 خواهد کرد، که توان خروجیِ رادیو ([24]EIRP) را به dBm 30 تا dBm 35 افزایش میدهد.
طراحی حرارتی بُرد شامل آرایههای شبکه توپی در RFIC باید بهگونهای باشد که گرما را بدون ایجاد نقاط داغ در گوشی بهنحوی که کاربر متوجه آن شود، هدایت کند. برای یک آرایه 2 در 2 که سیگنال [25]OFDM یا [26]SCFDM با مدولاسیون 64QAM در فرکانس 28 گیگاهرتز ارسال میکند، هر تقویتکننده توان تا حدود dBm 6 تا dBm 8 کاهش مییابد (بکآف شدن). برای این خروجی، توان تلف شده متداولِ مستقیم (DC) برای 4 کانال ارسال در حدود 350 تا dBm 380 است.
منابع
[1] https://www.microwavejournal.com/articles/31448-first-5g-mmwave-antenna-module-for-smartphones
پینوشت
[1] mmWaves
[2] Integrated
[3] Baseband
[4] 3rd Generation Partnership Project
[5] Transceiver
[6] Beamforming
[7] Array antenna
[8] Patch
[9] dipole
[10] Polarization
[11] Dual
[12] Gain
[13] Radio Frequency Integrated Circuit
[14] Up-Conversion
[15] Down-Conversion
[16] Mixer
[17] Voltage Controlled Oscillator
[18] Phase Locked Loop
[19] Low Noise Amplifier
[20] Downlink
[21] On-Chip
[22] Ball Grid Array
[23] Wavelength
[24] Effective Isotropic Radiated Power
[25] orthogonal frequency devison multiplexing
[26] Single Carrier Frequency Division Multiplexing
