Sviluppato un nuovo modulo trasmettitore Phased-Array per la comunicazione wireless 6G

Un nuovo modulo trasmettitorephased-array per la comunicazione wireless 6G è stato sviluppato da NTT Corporation (sede centrale: Chiyoda-ku, Tokyo; Presidente e CEO: Akira Shimada; “NTT”), dal professor Kenichi Okada e da ricercatori del Dipartimento di energia elettrica ed elettronica Ingegneria, Scuola di Ingegneria, Tokyo Institute of Technology (Meguro-ku, Tokyo; Presidente: Kazuya Masu; “Tokyo Tech”)

Sono riusciti a realizzare la prima trasmissione dati wireless beamforming al mondo nella banda dei 300 GHz. Questa tecnologia consentirà la trasmissione istantanea di dati ad altissima capacità ai ricevitori mobili.

I dettagli di questa tecnologia innovativa sono stati svelati in occasione dell’attesissimo IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2023) del 2023, tenutosi nella vivace città di San Diego, California, USA.

Il prestigioso evento, che si è svolto l’11 giugno 2023, ha riunito i principali esperti, ricercatori e professionisti del settore da tutto il mondo per mostrare gli ultimi progressi nella tecnologia a microonde e wireless.

Contesto della ricerca

Nella sesta generazione di comunicazioni wireless (6G), l’utilizzo della banda da 300 GHz è promettente per ottenere una connettività wireless ad altissima velocità.

L’ampia gamma di frequenze disponibile in questa banda presenta un vantaggio significativo. Tuttavia, una sfida importante si presenta sotto forma di sostanziale perdita di percorso durante la propagazione del segnale nello spazio. Per affrontare questo problema, i ricercatori stanno esplorando attivamente la tecnologia del beamforming

La tecnologia beamforming concentra e dirige l’energia radio verso il dispositivo ricevente previsto. Nel contesto dei sistemi wireless 5G che utilizzano onde radio nelle bande 28 GHz e 39 GHz, il beamforming è stato implementato con successo utilizzando circuiti integrati CMOS (IC)(1). Tuttavia, quando si tratta della banda dei 300 GHz, il solo CMOS-IC non dispone della potenza di uscita necessaria*.

Per superare questa limitazione, è in corso uno sforzo globale per combinare l’IC CMOS con l’IC composto III-V(2), che possiede capacità di potenza ad alto rendimento.

Questa combinazione mira a ottenere un beamforming efficace nella banda dei 300 GHz. Tuttavia, diversi ostacoli ostacolano il progresso, come la significativa perdita di energia che si verifica all’interno del circuito integrato del composto III-V e durante la connessione tra il circuito integrato del composto III-V e il circuito integrato CMOS-IC.

Tokyo Tech riesce a fabbricare un CMOS-IC altamente scalato

Tokyo Tech ha raggiunto un traguardo significativo creando un CMOS-IC altamente miniaturizzato che incorpora circuiti di conversione e controllo della frequenza.

Basandosi su questo successo, NTT e Tokyo Tech hanno collaborato per sviluppare un modulo trasmettitore compatto costituito da un array di fasi a 4 elementi. Questo modulo integra i suddetti CMOS-IC e InP-IC su un unico circuito stampato.

NTT ha inoltre sviluppato un circuito integrato al fosfuro di indio (InP-IC) che integra il circuito dell’amplificatore di potenza ad alto rendimento proprietario e il circuito dell’antenna. Il risultato è stato possibile grazie al transistor bipolare a eterogiunzione a base di fosfuro di indio brevettato da NTT (InP HBT⁽³⁾) tecnologia.

Progettazione del circuito dell’amplificatore di potenza ad alto rendimento da 300 GHz

NTT e Tokyo Tech hanno inoltre collaborato per sviluppare un circuito amplificatore di potenza che eccelle nel fornire potenza ad alto rendimento all’interno della banda dei 300 GHz.

Il circuito dell’amplificatore di potenza utilizza un combinatore di potenza a bassa perdita per combinare la potenza elettrica in uscita da più elementi dell’amplificatore, consentendo il raggiungimento di un’elevata potenza di uscita.

Il circuito svolge un ruolo cruciale nell’amplificare i segnali generati dal CMOS-IC e nel trasmettere le onde radio risultanti al dispositivo ricevente attraverso un’antenna integrata sullo stesso chip.

Raggiungendo questa impresa, NTT e Tokyo Tech hanno reso possibile fornire la potenza ad alto rendimento necessaria per facilitare la trasmissione dei dati ad alta velocità al dispositivo ricevente.

Montaggio del modulo guida d’onda

Tradizionalmente, il collegamento di vari circuiti integrati per la banda dei 300 GHz prevedeva il montaggio di ciascun circuito integrato su un modulo guida d’onda(6), che veniva poi interconnesso. Tuttavia, questo metodo soffriva di perdita di energia quando le onde radio passavano attraverso le guide d’onda.

Per risolvere questo problema, NTT e Tokyo Tech hanno affrontato con successo il problema attraverso l’incollaggio flip-chip di CMOS-IC e InP-IC, collegandoli utilizzando protuberanze metalliche con dimensioni nell’ordine di diverse decine di micrometri.

Adottando questo approccio di confezionamento, la perdita di connessione viene notevolmente ridotta, con conseguente miglioramento dell’efficienza. Inoltre, questo metodo innovativo consente di ottenere una potenza elevata, segnando un importante passo avanti nel settore.

Ricerca sulla futura rete 6G

Si prevede che le reti 6G implementeranno dispositivi di comunicazione mobile a breve distanza. NTT e Tokyo Tech hanno sviluppato una tecnologia che si dimostra promettente nell’espansione delle applicazioni di questi dispositivi, inclusi chioschi interattivi e femtocelle.

La tecnologia che hanno sviluppato dimostra il beamforming unidimensionale. Attualmente, NTT e Tokyo Tech si concentrano sulla presentazione del beamforming bidimensionale utilizzando un array 2D e sull’aumento della distanza di comunicazione aggiungendo più array.

Nel frattempo, sono stati anche attivamente coinvolti nello sviluppo di moduli ricevitori per soddisfare i requisiti delle applicazioni 6G e nell’implementazione della comunicazione wireless che offre una capacità di trasmissione dieci volte maggiore di quella attualmente disponibile.