Con un nuevo diseño innovador y con tecnología CMOS de 65 nm integrada, el receptor de entrada y salida múltiple (MIMO) por división de tiempo de 28 GHz del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech) integra ocho elementos de radiofrecuencia, cada uno de los cuales ocupa tan solo 0,1 mm².
Para satisfacer la creciente necesidad de los datos de aplicaciones, como transmisión de vídeo, realidad aumentada, vehículos autónomos y dispositivos de IoT, la nueva radio 5G y las tecnologías futuras posteriores a 5G utilizan múltiples haces de entrada y salida para enviar y recibir múltiples flujos de datos simultáneamente.
Un componente esencial para un funcionamiento eficaz de MIMO es la formación de haces. La formación de haces ajusta las señales para enfocarlas hacia los transmisores o receptores. Este proceso mejora la calidad de la señal y minimiza las interferencias. Sin embargo, los receptores MIMO de formación de haces analógicos convencionales requieren formadores de haces separados para cada flujo de datos, lo que dificulta su implementación en un sistema MIMO de ondas milimétricas, como un transceptor MIMO de 28 GHz donde la inclinación de la antena (la distancia entre antenas) es de solo 5 milímetros.
Conformador de haz MIMO por división de tiempo
Para abordar este problema, los investigadores han propuesto una técnica novedosa llamada conformador de haz MIMO por división de tiempo (TD-MIMO), que puede admitir MIMO de ondas milimétricas sin necesidad de un hardware adicional.
En los sistemas MIMO, cada antena se conecta con todas las demás a través de una red de rutas de radiofrecuencia (RF). La cantidad de estas rutas se determina multiplicando la cantidad de flujos MIMO por la cantidad de antenas. Por lo tanto, al aumentar la cantidad de flujos de datos, aumentan las rutas de RF necesarias.
En el funcionamiento TD-MIMO, un conformador de haz analógico cambia rápidamente el patrón o la dirección del haz del receptor a velocidades muy altas, lo que permite que varias señales utilicen las mismas rutas de RF. Después del proceso de conformado de haz, un conmutador TD-MIMO dirige cada flujo MIMO a puertos de salida separados, lo que garantiza que las señales no interfieran entre sí.
Este sistema utiliza desfasadores de conmutación rápida que pueden ajustar la fase de la señal en 2,5 nanosegundos y tienen una sincronización basada en reloj para controlar el tiempo de conmutación del haz. Este enfoque permite que el receptor TD-MIMO admita más flujos de datos simplemente aumentando la frecuencia del reloj, lo que garantiza una transmisión de datos escalable sin aumentar el tamaño del conjunto de chips.
Aplicación de la tecnología CMOS
Los investigadores desarrollaron un receptor TD-MIMO de 3 mm x 2 mm que utiliza tecnología CMOS de 65 nm que consta de ocho elementos de RF para manejar cuatro flujos de datos de radio 5G independientes a través de un ancho de banda de canal de 400 MHz, utilizando la modulación de amplitud en cuadratura (QAM) de 64. Las señales pasan a través de un combinador de potencia Wilkinson a un conmutador TD-MIMO, que las separa en cuatro rutas. Cada elemento de RF cuenta con un amplificador con cancelación de ruido y un desfasador rápido. Un amplificador de ganancia variable y un circuito de resincronización mantienen el sistema sincronizado al garantizar que la conmutación se realice con precisión.
Un combinador de potencia Wilkinson de tres etapas 8 a 1 combina los haces, que luego se separan en las salidas respectivas mediante un conmutador TD-MIMO. Una red de árbol en H distribuye el reloj de sincronización a cada elemento receptor, con DTC en la red de distribución de reloj para una calibración precisa de la sincronización.
El receptor TD-MIMO se fabrica mediante un proceso CMOS de 65 nm común, lo que lo hace adecuado para una producción escalable. La PCB tiene cuatro capas e integra una matriz de antenas de 1 por 8 en la capa inferior.
En las pruebas realizadas se demostró que el receptor manejó con éxito señales MIMO compatibles con 5G de un generador de formas de onda arbitrarias de Keysight, transmitidas por antenas de bocina en cuatro direcciones. El receptor logró una magnitud de vector de error de -23,5 dB en 64-QAM y un tiempo de conmutación de haz de velocidad Nyquist rápido de 0,15 ns, lo que permitió velocidades de datos de hasta 9,6 Gbps en la configuración MIMO de cuatro flujos.