Adéntrese en las aplicaciones de ondas milimétricas con componentes amplificadores de potencia

Antes se conseguían mayores velocidades de transmisión de datos inalámbricos mediante esquemas de modulación cada vez más complejos que comprimían bits adicionales en las mismas porciones de espectro. Ahora que ese enfoque está alcanzando límites prácticos, el futuro dependerá de anchos de banda más amplios en lugar de una modulación más densa, tanto si el objetivo es diseñar aplicaciones comerciales de rendimiento 5G como enlaces militares de alta capacidad. Este cambio empuja a los diseñadores hacia el espectro de ondas milimétricas (mmWave), donde la abundancia de espectro permite nuevas capacidades, pero presenta un conjunto muy diferente de retos de diseño.

Los sistemas de comunicación 5G se están beneficiando de años de investigación que realizaron en principio empresas de defensa. Por ejemplo, la tecnología de antenas en fase de defensa, que permite la dirección de haces y el seguimiento de varios objetivos simultáneamente, se ha adoptado ampliamente en las aplicaciones 5G para transmitir flujos de datos simultáneos a varios usuarios. Los sistemas comerciales operan cada vez más en bandas como 28 GHz y 39 GHz para acceder al ancho de banda necesario para los enlaces multigigabit.

Empresas como Analog Devices, Inc. han aprovechado su experiencia en ondas milimétricas de las aplicaciones de la industria de defensa para ofrecer componentes estándar que se ajustan tanto a los requisitos de rendimiento de defensa como a la fabricabilidad necesaria para la infraestructura comercial. Los envases avanzados de montaje superficial de circuitos integrados de alta frecuencia fueron decisivos para llevar la 5G a la implementación masiva.

Tanto la industria 5G como la de defensa dependen de hardware avanzado de alta frecuencia. Mientras que las redes 5G se optimizan para rebanadas específicas y estrechas de espectro con el fin de maximizar el rendimiento, las aplicaciones militares como la guerra electrónica (EW) requieren anchos de banda operativos amplios para garantizar la conciencia espectral. A pesar de esas diferencias, el impulso de los anchos de banda de modulación amplios en 5G ha creado un beneficio simbiótico de fabricación.

La convergencia de estos sectores en la tecnología mmWave ha permitido alcanzar la escala de fabricación necesaria para la implementación comercial. También ha reducido significativamente los costos asociados a la creación de aplicaciones militares que antes dependían de procesos de ensamblaje de "chip y alambre" caros y de bajo volumen.

Esta escala se basa en circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC) altamente integrados, módulos de antenas en fase y soluciones de prueba accesibles que cada vez están más al alcance de los pequeños talleres de diseño que históricamente carecían del presupuesto o la especialización de los grandes contratistas de defensa.

La polinización cruzada también ha forjado una infraestructura de pruebas compartida. En el pasado, las pruebas de antenas en fase a 28 GHz y 39 GHz requerían cámaras anecoicas grandes y costosas. La implementación generalizada de la 5G condujo al desarrollo de soluciones de prueba OTA asequibles y listas para usar que las empresas de defensa pueden utilizar para resolver rápidamente los retos de desarrollo de productos sin una inversión de capital sustancial. La disponibilidad de bloques de construcción probados y listos para la aplicación permite a los talleres de diseño de todos los tamaños abordar la tecnología mmWave como un subsistema gestionable, lo que facilita el paso de una prometedora aplicación mmWave del diagrama de bloques al hardware desplegable.

Innovaciones en el espectro

Durante varias décadas, la innovación inalámbrica se ha basado en dos enfoques fundamentalmente diferentes: codificar más información en cada estado distinto de la señal (símbolo) o ampliar el espacio espectral disponible para transportar información.

Los esquemas de modulación más sencillos priorizan la solidez y la integridad de la señal, mientras que los esquemas más complejos aumentan el caudal de datos al transmitir bits adicionales por símbolo. La modulación básica representa cada símbolo con una pequeña cantidad de información, como un solo bit. Los diseñadores pueden mejorar el rendimiento del sistema codificando más información por símbolo utilizando esquemas de modulación más complejos como QAM o accediendo a canales espectrales más amplios en bandas de ondas milimétricas de mayor frecuencia.

La modulación determina cómo se empaquetan los datos en una portadora, pero es el amplificador de potencia (PA) el que garantiza que los bits de datos lleguen a su destino. En la 5G comercial, los PA priorizan la eficiencia y la linealidad dentro de bandas de frecuencia específicas para soportar los arreglos en fase de alto rendimiento. Los sistemas militares, sin embargo, suelen aspirar a una gama más amplia de frecuencias y más potencia para mejorar la claridad del radar, las comunicaciones por satélite y la facilidad de uso.

Incluso con una modulación cada vez más sofisticada, existen límites fundamentales a la cantidad de datos que se pueden impulsar a través de una banda de frecuencia portadora (F_C) determinada. Un principio clave es que el rendimiento de los datos está directamente ligado al ancho del canal, es decir, al ancho de banda de la señal modulada (F_BW). Conseguir velocidades de datos más altas requiere canales de frecuencia portadora más amplios, algo así como pasar de una carretera atestada de un solo carril a una superautopista de diez carriles (figura 1).

Figura 1: Representación del ancho de banda de modulación centrado en una frecuencia portadora. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

También hay que tener en cuenta el límite de CC, que establece que una señal no puede extenderse por debajo de 0 Hz. Cuando se modula una señal, ésta se propaga alrededor de su frecuencia portadora en lo que los ingenieros denominan las bandas laterales. Sin embargo, si la frecuencia portadora es demasiado baja, parte de esta señal se extendería teóricamente por debajo de ese límite, lo que es una imposibilidad física. Por ello, los ingenieros deben elevar la frecuencia portadora a frecuencias más altas, como las de las bandas de ondas milimétricas, para garantizar que la señal completa encaje cómodamente en un espectro utilizable. Esta "conexión a tierra absoluta" en el funcionamiento de alta frecuencia es lo que hace posible, en primer lugar, los canales anchos y de alta velocidad.

Juntos, estos dos principios ayudan a ilustrar por qué los diseñadores están recurriendo a las frecuencias de ondas milimétricas tanto para la 5G comercial como para los sistemas de defensa. Una vez que la complejidad de la modulación alcanza límites prácticos, la única forma de aumentar significativamente el rendimiento es desplazar la portadora a una frecuencia más alta y abrir carriles espectrales mucho más amplios. Pasarse a las ondas milimétricas, por tanto, no es solo una tendencia: es un requisito físico para alcanzar las velocidades de transmisión de datos masivas y la detección de alta resolución que exigen las aplicaciones modernas.

Superar los desafíos de diseño

La transición a las frecuencias de ondas milimétricas reconfigura el diseño físico del hardware inalámbrico de formas que afectan tanto a los sistemas comerciales como a los de defensa:

• Las frecuencias más altas comprimen las longitudes de onda, lo que permite la miniaturización de las antenas. Esta miniaturización permite integrar directamente las matrices en chips o módulos compactos.
• Las longitudes de onda más cortas dan lugar a haces más estrechos, lo que mejora la resolución angular. Esto significa que los radares pueden distinguir objetivos muy próximos entre sí y que las estaciones base 5G pueden concentrar con precisión la energía en usuarios individuales.
• La amplia implementación comercial de estas tecnologías ha provocado un cambio hacia la tecnología de montaje en superficie (SMT). SMT admite la producción automatizada de módulos altamente integrados en envases de plástico o cerámica.

Estos cambios fundamentales presentan tanto oportunidades como nuevos retos de ingeniería para los diseñadores que construyen sistemas mmWave, como:

• Funcionamiento a alta frecuencia que conlleva un aumento de la pérdida de trayecto, una reducción de la eficacia de la antena y una mayor sensibilidad a la no linealidad, los efectos térmicos y los problemas de disposición parasitaria.
• Los requisitos de gran ancho de banda que imponen estrictas exigencias a los componentes frontales de RF, mientras que las restricciones a nivel de sistema, como la formación de haces de matriz en fase para 5G o el radar de alta resolución para defensa, complican aún más el proceso de diseño.

Los diseñadores comerciales deben encontrar un equilibrio entre eficiencia, linealidad e integración para soportar la amplia infraestructura 5G a gran escala. Los diseñadores de defensa, por su parte, a menudo necesitan una mayor potencia de salida, un ancho de banda más amplio y un funcionamiento adaptable en varias bandas para radares, comunicaciones por satélite y comunicaciones tácticas.

Los ingenieros deben elegir entre circuitos integrados especializados. La elección depende a menudo de si la aplicación prioriza la optimización del rendimiento o la versatilidad operativa.

En las frecuencias de ondas milimétricas, la pérdida de trayecto aumenta significativamente y los esquemas de modulación de orden superior son más susceptibles a la distorsión. En consecuencia, para la 5G comercial, es crucial garantizar que las antenas en fase ofrezcan de forma eficiente un alto rendimiento en sus respectivas bandas. Los sistemas militares también se enfrentan a retos similares, aunque su objetivo principal suele ser maximizar la potencia de salida para el alcance del radar o los enlaces de comunicación por satélite (SATCOM).

Para dar respuesta a estas necesidades, el HMC863ALC4 de ADI ofrece un PA de banda optimizada que puede sintonizarse para obtener la máxima eficiencia en una banda estrecha dentro del rango de 24 GHz a 29.5 GHz para aplicaciones 5G. Presume de una gran linealidad, una ganancia de 17 dB, una potencia de salida de +21 dBm y alcanza un índice de eficiencia de potencia añadida (PAE) de 22.5%, que mide la potencia de RF adicional producida en relación con la potencia de CC consumida. Alojadas en un encapsulado SMT compacto de 4 mm × 4 mm, estas características permiten a los diseñadores comerciales mantener un rendimiento sólido a la vez que admiten procesos de montaje automatizados. La placa de evaluación EV1HMC863ALC4 (figura 2) proporciona a los diseñadores una plataforma de hardware para validar el rendimiento del PA, el comportamiento térmico, la red de polarización y la configuración de las mediciones antes de comprometerse con un front-end de RF.

Figura 2: El EV1HMC863ALC4 proporciona una plataforma de evaluación para caracterizar el rendimiento en el mundo real de las aplicaciones de banda estrecha mmWave. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Los diseñadores de defensa suelen operar en anchos de banda más amplios para lograr una alta resolución de radar o comunicaciones multibanda y pueden sacrificar la eficiencia para alcanzar ese objetivo. En estos casos, el PA ADPA7005CHIP ofrece un amplio rango operativo de 20 GHz a 44 GHz y suele alcanzar una PAE que oscila entre 8% y 13% en función de la sub banda de frecuencias. Ofrece una potencia de salida de +33 dBm, una ganancia de 14 dB y una eficacia simple de CC a RF de 45%, todo ello encapsulado en un compacto encapsulado SMT de 7 mm × 7 mm, lo que simplifica la integración en módulos compactos. Su amplia cobertura y alta potencia lo hacen idóneo para aplicaciones de defensa flexibles y de alto rendimiento, que van desde el radar de alta resolución hasta las comunicaciones de largo alcance. La plataforma de pruebas ADPA7005-EVALZ (figura 3) incorpora un disipador térmico que ayuda a proporcionar alivio térmico mientras se desarrollan diseños más complejos para abordar aplicaciones mmWave de banda ancha.

Figura 3: La placa de evaluación EVAL-ADPA7005AEHZ facilita el desarrollo de aplicaciones mmWave de banda ancha más complejas. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Conclusión

La transición a las frecuencias de ondas milimétricas representa un cambio crítico en las comunicaciones globales y en la tecnología de defensa. Ya sea para infraestructuras 5G en fase o para sistemas EW compactos, la integración de módulos mmWave requiere componentes que permitan un montaje automatizado y repetible, manteniendo al mismo tiempo el rendimiento térmico y de la señal. Diseñados teniendo muy en cuenta el ancho de banda, la linealidad y la eficiencia, la utilización de los componentes PA de ADI permite a los diseñadores satisfacer las demandas de los sistemas mmWave tanto para aplicaciones comerciales como militares.