Antennendesign muss für 6G-Systeme optimiert werden

Jan 11, 2024

Hank Ly, Benchmark | 31. Juli 2023

Die Weiterentwicklung von Kommunikationsnetzen der fünften Generation (5G) ausgehend von früheren Mobilfunksystemen wird weltweit verwirklicht. Der mobile Internetzugang mit Sprach-, Video- und Datenkommunikation wird durch die Kombination verschiedener terrestrischer und Satellitenkommunikationsgeräte (Satcom) bereitgestellt. Doch trotz der großzügigen Bandbreite von 5G wird diese schnell von Menschen und Geräten in Form von Streaming-Apps, dem Internet der Dinge (IoT), Sensoren, Geräten und mehr genutzt.

Doch noch bevor die 5G-Netzinfrastruktur überhaupt fertiggestellt ist, sind Anwendungen für die Technologie der sechsten Generation (6G) geplant. Während 5G das Frequenzspektrum unter 6 GHz einnimmt und sich 72 GHz nähert, wird sich 6G in Richtung 1 THz ausdehnen.

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Trotz allem, was drahtlose 5G-Netzwerke versprechen, ist der zunehmende Einsatz von Sensoren für Sicherheit, Überwachung und Überwachung als Teil von IoT-Geräten nur eine der Möglichkeiten, auf denen riesige Datenmengen generiert werden. An Bandbreite mangelt es den 5G-Netzwerken sicherlich nicht, denn die Systeme arbeiten in drei unterschiedlichen Frequenzbereichen (FR) von FR1 (˂6 GHz), FR2 (24,25 bis 71,0 GHz) und FR3 (7,125 bis 24,250 GHz).

Da jedoch immer mehr IoT-Geräte zu 5G-Netzwerken hinzugefügt werden – zusammen mit einer stetig wachsenden Anzahl menschlicher Benutzer –, wird der Druck auf 5G-Netzwerke (auch mit ihren erweiterten Bandbreiten) steigen, Datenübertragungen mit geringer Latenz als Teil von Sicherheitssystemen bereitzustellen , Überwachung und Geschäftstreffen als Beispiele.

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Die typische Datenübertragungslatenz für 5G-Netzwerke beträgt etwa 4 Millisekunden, was wie eine unbedeutende Verzögerung erscheinen mag. Aber für einige der Anwendungen, die für 6G-Netzwerke geplant sind (z. B. holografische, dreidimensionale (3D) Bildgebung bei Telefongesprächen und entfernte Geschäftstreffen in virtueller Realität (VR), ist für praktische Reaktionen in Echtzeit nahezu keine Latenz erforderlich.

Die Umwandlung der 5G-Technologie in 6G-Netze oder zumindest in fortschrittliche 5G-Systeme erfordert eine ausgefeilte Nutzung des Frequenzspektrums, das das gesamte Millimeterwellen-Frequenzspektrum (30 bis 300 GHz) umfasst und bisher nicht als praktischer Nutzen für irgendeine Form der kommerziellen Kommunikation in Betracht gezogen wurde . Der zunehmende Einsatz neuer elektronischer Technologien wie künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) wird dazu beitragen, Netzwerkzugangspunkte zu verwalten, da Menschen und Dinge um Frequenzen konkurrieren.

Durch den Einsatz von KI werden drahtlose 6G-Kommunikationsnetzwerke sensorische Daten über die Betriebsumgebung sammeln, die Reflexion von Hindernissen erkennen und sofort optimale Ausbreitungswege für Hochfrequenzsignale kartieren. Für die Übertragung der Benutzersignale an Zellen und Schaltpunkte – ob über der Erde, unter der Erde oder aus dem Weltraum – sind jedoch immer noch Komponenten wie Array-Antennen erforderlich, die in der Lage sind, gerichtete Energiestrahlen zu erzeugen, die große Datenmengen durch überfüllte Lufträume übertragen können.

Mechanisches Design und Entwicklung werden zur Schaffung von 5G/6G-Netzwerken beitragen, die gut an das Betriebsökosystem angepasst sind und einen praktischen, zuverlässigen Langzeitbetrieb gewährleisten können. Da sich 5G durch die Hinzufügung Tausender erdnaher Satelliten (LEOS) für die weltraumgestützte Kommunikation auf 6G-Dienste ausdehnt, werden leichte Komponenten für immer kleinere Satelliten benötigt.

Angesichts der zunehmenden Dichte von Komponenten und Funktionen auf kleineren Leiterplatten für LEOS und terrestrische Kleinzellen werden wirksame Wärmemanagementtechniken benötigt, um jeglichen Wärmestau in kleinen Metallgehäusen zu minimieren. Außerdem wird eine hochauflösende Photolithographie erforderlich sein, um die feinen Schaltungslinienbreiten zu realisieren, die die kleinen Wellenlängen der Millimeterwellen-Signalfrequenzen unterstützen.

Die Auswahl der Antennen und deren Anbindung an die 5G/6G-Infrastruktur ist ein Beispiel dafür, dass der Maschinenbau eine Schlüsselrolle bei der Unterstützung von Antennendesignern spielen wird. Antennen für 5G/6G-Netzwerke werden viele Konfigurationen nutzen, darunter hochgerichtete Strahlformungsgeräte, omnidirektionale Antennen, aktive Phased-Arrays mit mehreren Elementen, flexible Leiterplattenantennen (PCB) für Basisstationen oder mobile Mobilfunkprodukte sowie Massive Multiple -Antennen mit mehreren Ausgängen (mMIMO) zur Bewältigung des umfangreichen Signalverkehrs in kleinen Zellen (Abb. 1).

Abb. 1. Antenne mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO)

Diese vielen verschiedenen Antennen müssen mit 5G/6G-Empfängern und -Sendern verbunden sein und Signale mit einer Vielzahl von Modulationsformen über einen breiten Gesamtfrequenzbereich verarbeiten, wobei größere Antennen für den „unter 6 GHz“-Bereich von 5G/6G-Netzwerken und kleinere Antennen erforderlich sind für Millimeterwellen- und höherfrequente Signale. Präzision beim mechanischen Design der Antennen, insbesondere bei Millimeterwellenfrequenzen, ist für 5G/6G-Systeme von entscheidender Bedeutung, die für die Verwaltung von Milliarden bemannter und unbemannter Benutzer eine Positionierungsgenauigkeit im Zentimeterbereich erfordern.

Abb. 2. CAD-Software auf dem Computerbildschirm

Der Entwurf von 5G/6G-Antennen kann mit S-Parameterdaten (oder Simulationen) in einem kommerziellen CAD-Softwaretool (Computer Aided Design) beginnen (Abb. 2), aber physische Prototypen der Antennen werden meist durch additive Fertigung realisiert Methoden wie dem 3D-Druck (Abb. 3). Bei diesem Ansatz werden Materialien bei hohen Temperaturen geschmolzen und entsprechend CAD-Zeichnungen und Parametern in Formen und Größen gebracht. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen subtraktiven Fertigungsmethoden, bei denen nicht benötigtes Material durch Laser- oder mechanisches Schneiden und Bohren entfernt wird.

Viele verschiedene Materialien, einschließlich dielektrischer Kunststoffe und leitfähiger Metalle, können durch 3D-Druck Schicht für Schicht und mit großer Präzision, Auflösung und Wiederholbarkeit geformt werden. Spezielle 3D-Drucktechniken wie der direkte Metalldruck (DMP) formen reines Kupfer und Kupferlegierungen zu präzisen Schaltkreisformen. Durch den Einsatz sauerstoffarmer DMP-Systeme können 3D-Metallteile mit hervorragenden Oberflächengüten für den Einsatz bei Millimeterwellenfrequenzen hergestellt werden. Darüber hinaus ist Laser Direct Imaging (LDI) eine Technik zur Anwendung von Laserenergie zur Herstellung von Schaltkreisleitungen und -abständen mit einer Auflösung von besser als 25 µm, was auch für Millimeterwellenschaltkreise von Vorteil ist.

Angesichts der erwarteten Komplexität von 6G-Systemen und der Designziele für die Signalumschaltung mit geringer Latenz für Milliarden von IoT-Geräten werden viele verschiedene Antennentypen zur 5G/6G-Signalweiterleitung beitragen. RFID-Antennen (Radio Frequency Identification) werden Bestandteil vieler elektronischer Geräte sein und deren Rolle innerhalb des Netzwerks kennzeichnen. Sowohl für Menschen als auch für IoT-Geräte ermöglichen tragbare und implantierbare Antennen Messungen physikalischer Größen wie Feuchtigkeit, Temperatur, Gas- und Flüssigkeitskonzentrationen und Kraft.

Es wird erwartet, dass Energiegewinnungsantennen auch Schlüsselkomponenten in 5G/6G-Systemen sind, um durch Umwandlung von Umweltkomponenten (wie Wind und Sonnenlicht) Strom in das Netzwerk einzuspeisen und die Energiequelle für das zu sein, was als „Nullenergie“ bezeichnet wird. Komponenten.

Abb. 3. 3D-Drucker bei Benchmark

Antennentechnologien entwickeln sich ständig weiter, da die Nachfrage nach Sprach-, Video- und Datenkommunikation steigt. Passive Phased-Array-Antennen sind seit langem eine Lösung, um die für militärische Radarsender benötigten Hochenergieimpulse zu erreichen, indem sie die Signalleistungen vieler gleichphasiger Antennenelemente addieren. Die einzelnen Elemente einer Phased-Array-Antenne sind so konzipiert und gefertigt, dass sie miteinander in Phase sind, sodass für maximale Ausgangsleistung nur minimale Phasenschwankungen erforderlich sind.

Im Gegensatz dazu ermöglichen aktive Phased-Array-Antennen eine elektrische Steuerung der Phase und Amplituden der einzelnen Antennenelemente, um bei der Summierung der einzelnen Signalkomponenten eine maximale Ausgangsleistung zu erzielen. Die Strahlsteuerung aktiver Antennenarrays entwickelt sich weiter und führt zu experimentellen Antennen, bei denen Richtung, Frequenz und Amplitude des gerichteten Strahls durch verschiedene Software-Codierungsformate, wie z. B. Space-Time-Coding (STC), gesteuert werden können.

Fortschrittliche Antennenarchitekturen werden zu einer drahtlosen Kommunikation mit geringer Latenz in 5G- und 6G-Netzwerken beitragen. Durch das Schalten von Arrays aktiver Antennensysteme erhöhen Remote Radio Heads (RRHs) die Anzahl der Kanäle, die mit kleineren Zellen möglich sind. Bei den kleinen Signalwellenlängen wird eine große Anzahl kleiner Zellen bei höheren Frequenzen benötigt, um eine akzeptable drahtlose Mobilfunkabdeckung in Gebieten mit großer Bevölkerung und in Betriebsumgebungen mit mehreren Ausbreitungshindernissen zu erreichen.

Die Leistung und Funktionalität der Antenne variiert je nach Anwendung der Antenne im Netzwerk. Antennen für mobile Roboter-IoT-Geräte werden beispielsweise innerhalb kurzer Entfernungen über kleine Zellen im Millimeterwellen-Frequenzband mit dem Netzwerk verbunden, benötigen jedoch omnidirektionale Strahlungsmuster für maximale Konnektivität.

Aufgrund der Beschaffenheit robotischer IoT-Geräte sind latenzfreie Verbindungen mit 5G/6G-Netzwerken erforderlich, unabhängig davon, ob sich die Roboter unter oder über der Erde befinden. Antennen für biomedizinische und Gesundheitsanwendungen – wie etwa die Echtzeitüberwachung von Patientenorganen aus der Ferne – erfordern möglicherweise die großen Bandbreiten, die bei Millimeterwellenfrequenzen verfügbar sind, jedoch mit den stark fokussierten und gerichteten elektromagnetischen (EM) Strahlen, die durch aktive Array-Antennen ermöglicht werden.

Im Falle einer mobilen Roboter-IoT-Anwendung muss die mechanische Befestigung der Rundstrahlantenne am Robotergerät militärische Anforderungen erfüllen, um Stößen, Vibrationen und einem weiten Temperaturbereich standzuhalten, um eine zuverlässige Kommunikation mit dem Netzwerk zu gewährleisten. Bei der biomedizinischen Antenne muss die Antenne mit instrumenteller Ausrichtungsgenauigkeit installiert werden, um die ordnungsgemäße Kalibrierung der gerichteten EM-Strahlen sicherzustellen.

Das elektronische Design berücksichtigt eine gewisse Strahlkorrektur, das mechanische Design sorgt jedoch für Antennendesign, Installation und Positionierung, sodass ein „0-Grad“-Startpunkt erreicht werden kann. Die gleiche Art der Antenneninstallation und Präzision der Ausrichtung wird für die holografische 3D-Kommunikation, die voraussichtlich ein beliebtes Merkmal von 6G-Netzwerken sein wird, von entscheidender Bedeutung sein.

Sowohl 5G- als auch 6G-Netzwerke werden über dichte Schaltkreise mit leistungsstarken Schaltkreismaterialien verfügen, die Leiterplatten (PCBs) unterstützen, die dicht mit aktiven und passiven elektronischen Geräten bestückt sind. Hochintegrierte Mixed-Signal-Geräte – wie System-on-Chip (SoC)-Komponenten und System-in-Package (SiP)-Designs – bieten Subsystemfunktionalität in Paketgrößen, die früher mit Einzelfunktionskomponenten (d. h. früher Empfängern in Paketen) verbunden waren die Größe von Verstärkern mit verlustarmen Materialien, die zu einem effektiven Wärmemanagement bei reduzierter Größe, Gewicht und Leistung beitragen). Einige Komponenten, wie etwa Antennen, werden weiterhin wellenlängenabhängig sein und mit Hilfe aktiver Strahlformungstechniken im Millimeterwellenfrequenzbereich arbeiten. Die wiederholbare Manipulation des EM-Spektrums hängt von präziser Maschinentechnik, Fertigung und Montage ab, um Kanalfrequenzzuweisungen zu erreichen, insbesondere bei den schrumpfenden Wellenlängen höherer Frequenzen.

Abb. 4. Maschinenbau-Werkbank bei Benchmark

Der Entwurf und die Herstellung praktischer 5G/6G-Netzwerke mit fortschrittlichen Antennen- und anderen elektronischen Technologien erfordert große Anstrengungen im Maschinenbau, um die physikalischen Komponenten und Toleranzen zu erreichen, die zur Unterstützung von Millimeterwellen-Signalfrequenzen und darüber hinaus erforderlich sind. Die Integration elektronischer und mechanischer Ingenieursbemühungen (Abb. 4) beginnt mit der menschlichen Designvorstellung und von dort aus mit CAD-Softwaresimulationen. Diese Simulationen sparen Zeit und Kosten für den Bau mehrerer Prototypen. Nicht zu vergessen ist die Bedeutung genauer Messmöglichkeiten sowohl für die elektrische Leistung als auch für mechanische Toleranzen.

Bei allen technischen Fähigkeiten wird durch die Messungen bestätigt, dass die Prototypentwürfe für den Einsatz im Feld bereit sind, sofern Fertigungsmethoden vorhanden sind, mit denen sie wiederholbar, zuverlässig und kostengünstig hergestellt werden können.

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