Vi står inför ett paradigmskifte! Det hävdar Christian Fager och Thomas Eriksson, professorer vid Chalmers tekniska högskola. Läs har om några pågående viktiga projekt med en framtida utvecklingspotential för basstationer.

Nästa generation mobilsystem måste bland annat ha en högre bandbredd, lägre energiförbrukning och kunna rikta effekten mot aktuella mottagare. Detta kräver en aktiv gruppantenn. Högre frekvenser innebär kompaktare uppbyggnad av gruppantennerna och för att ge låga förluster måste förstärkare och antennelement byggs samman. Den kompakta uppbyggnaden kräver hög verkningsgrad för att inte skapa värmeproblem.

Att distorsionen varierar med antennlobens riktning ställer krav på dynamisk linjärisering av varje förstärkare.

Nya tankar
Avsikten är att ersätta en högeffektsändare, till exempel 1 kW, med en mängd sändare med lägre effekt – ofta ordnade på rad eller i en aktiv gruppantenn.

Traditionell implementering

Fasstyrd gruppantenn

Låt oss anta att vi har 10×10 antennelement som matas med var sitt slutsteg med uteffekten 10 W. Den sammanlagda utsända effekten är lika hög i båda fallen: 10×10×10 W = 1 kW. Men eftersom, man med hjälp av en gruppantenn, kan rikta effekten dit man vill ha den, kommer resultatet att bli en 100 gånger så hög mottagen effekt. I praktiken behövs betydligt lägre effekt. Effektbehovet minskar med kvadraten på antalet. Därför räcker i princip 100 mW för varje sändare. 1 W bör vara tillräckligt.

Matrisantennen ger många fler fördelar
* I en fasstyrd gruppantenn kan signalerna till antennerna fasförskjutas så att man kan styra den utsända signalen mycket snabbt och i en specifik riktning, så kallad ”beam forming”. Detta leder till mycket stora energibesparingar då signalen kan riktas dit användare befinner sig.

* Med individuell styrning till varje antennelement kan man tillämpa MIMO, ”multiple input, multiple output”, för att överföra multipla dataströmmar parallellt och därmed flerdubbla datahastigheten och öka robustheten.

* MIMO kan också utnyttjas för ”Multi User MIMO” (MU-MIMO), vilket innebär att man samtidigt kan överföra data till flera abonnenter, i olika riktningar. Ytterligare fördelar uppnås, sådana som minskad påverkan av brus, distorsion, kvantisering och andra försämringar på grund av icke-ideal hårdvara.

* Massive MIMO är en förbättrad variant av MU-MIMO som innebär att basstationen har fler antenner än antalet användare, ofta mångdubbelt fler. Vinsten ligger i robustare överföring och enklare signalbehandling i både basstationer och hos användarna.

* Vid högre millimetervågsfrekvenser används ofta hybrid-MIMO, i en stor aktiv gruppantenn som är uppdelad i sub-matriser. Kapaciteten ökas, jämfört med en enkel fasmatris, men konstruktionen blir inte lika komplicerad som i en MU-MIMO eller en massive-MIMO.

Kompakt uppbyggnad ger problem
Antennelementen är typiskt monterade på en halv våglängds avstånd mellan varandra. Detta ger problem särskilt för 5G-slutsteg för övre frekvensbandet: Med frekvenser nära 30 GHz (28 GHz) betyder det endast 5 mm mellan antennelementen! Slutstegen, som sitter bakom varje antenn, måste därför vara kompakta och högintegrerade.

En tydlig trend är att integrera flera funktioner på samma chip. Därmed kan man eliminera en stor del av de effektförluster som i dagens lösningar uppkommer vid överföringen mellan olika chip.

Modern ned-skalad CMOS-teknologi möjliggör exempelvis att man kan kombinera D/A-omvandling, modulation och slutsteg på samma chip. Detta blir extra fördelaktigt då signalbandbredden också närmar sig 1 GHz i kommande system.

Förlusteffekten i slutstegen ger upphov till en mycket kraftig lokal värmeutveckling som måste ledas bort. Detta ökar kraven på hög verkningsgrad hos slutstegen och aktualiserar åter behovet av de förstärkararkitekturer som beskrivits i tidigare forskningsprojekt.

Dämpa olinjäriteter
Distorsion i slutsteg ger bland annat upphov till fasstörningar, så kallad AM/PM-omvandling. Samma CMOS-teknologier som nämndes ovan har nyligen gjort det möjligt att bygga komplementära förstärkarsteg där distorsionen minskas eftersom gate-source-kapacitansen i N- respektive P-transistor har motsatta förlopp.

Distorsionen kan också sänkas med digitala tekniker på basbandet. I ett traditionellt SISO-system (Single Input Single Output), elimineras slutstegets distorsion med ”pre-distortion”.

I fallet ”Multi User-MIMO”, med aktiva gruppantenner och MIMO-system, sänds olika information ut på närliggande antennelement. Dessa har en elektrisk överhörning mellan varandra varvid det bildas ytterligare distorsion. Dess storlek beror på hur antennernas lober är riktade. Därför behöver vi en helt annan modell som klarar av att beskriva distorsion i MIMO-fallet.

Komplex modell
På Chalmers har Christian Fager och Thomas Eriksson utvecklat en modell som förklarar samspelet mellan slutförstärkare och antenner för realistiska kommunikationssignaler.

Modellen innehåller såväl fördistorsion (DPD), beteendemodell för kretsarna (IC CAD) och en modell av antennen (EM CAD).

När modellen körs visar det sig att distorsionen varierar mycket med signalens riktning. Antennlastens impedans varierar också med riktningen och med antennens position på matrisen: Ytterkanternas antenner har en annorlunda impedans än antennerna i mitten.

28 GHz GaN-förstärkare med 64 element

Förstärkarlastens impedans i olika riktningar

Kompensera för distorsionen
Distorsionen kan minskas genom DPD (Digital Pre-Distortion). Med signalbehandling kan man i en aktiv antenn utsläcka distorsionen i vissa riktningar. Man kan till och med styra var distorsionen hamnar!

Linjäriteten är starkt riktningsberoende. Här ser vi EVM som funktion av riktning. Blått: låg distorsion, Rött: hög distorsion.

Med en gemensam DPD för alla element kan man kompensera för riktningsberoende distorsion. Nackdelen är att modellen för DPD blir mycket komplex. Därför lämpar den sig bara för mindre antennlösningar, med exempelvis 8×8 antennelement.

Dr Katharina Hausmair har föreslagit en modell där varje signalprocessor för DPD (DI DPD) har två ingångar: den ena av dem för den modulerade nyttosignalen, den andra kommer från en modell för överhörning och missanpassning. Tack vare denna uppdelning (DI DPD) kan antalet koefficienter sänkas väsentligt jämfört med de algoritmer som behövs för med multi-input (MI).

I den föreslagna modellen har varje DPD två ingångar där den ena ingången tar in data från en central modell för överhörning och missanpassning

Den föreslagna modellen är betydligt mindre komplex än en multi-inputs DPD och samtidigt väsentligen bättre än en ”single-input” DPD.

Komplexiteten skiljer starkt

GigaHertz centrum
Sedan länge har Chalmers haft ett samarbete med Ericsson runt sändare för mobiltelefoni. Samarbetet har bedrivits mestadels inom ramen för GigaHertz centrum, som är ett Vinnova-sponsrat kompetenscentrum, tillsammans med flertalet industripartners såsom Saab, Qamcom, Gotmic, Rise och Infineon.

Inledningsvis låg inriktningen på att skapa slutsteg med hög verkningsgrad. Kring sekelskiftet var verkningsgraden högst 8 procent, så för att få ut en kilowatt fick man tillföra i storleksordningen 12 kW, eller mer. En hel del av denna effekt avser en kylanläggning som tar hand om överskottsvärmen.

I syfte att öka verkningsgraden undersökte Chalmers, tillsammans med Ericsson och andra parter, slutsteg av alla tänkbara olika klasser och arkitekturer, såsom klass D, E, F, dynamisk lastmodulering, Doherty, utfasning (Chireix) och envelop-följning.

Högst verkningsgrad har, i teorin, de slutsteg som är ”digitala” (exempelvis klass D, E, eller F), det vill säga de som enbart verkar i lägena till/från. I realiteten leder dock transistorernas begränsade switch-hastighet till en avsevärt lägre verkningsgrad. De kräver också någon yttre form av modulator, vilket sänker den totala verkningsgraden ytterligare. Envelop-följning har låg signalbandbredd på grund av begränsningar i den yttre amplitudmodulatorn, polär slinga har låg signalbandbredd och dålig linjäritet vilket även gäller för utfasning.

På dagens marknad dominerar idag Doherty-arkitekturen. Arkitekturen har relativt låg förstärkning. Den är inte särskilt linjär, men det kan åtgärdas med fördistorsion (DPD).

Nyutveckling
Till de senaste utvecklingarna hör en 30 GHz Doherty-förstärkare för 30 GHz och en 2,14 GHz linjär GaN-förstärkare med över 60 procents verkningsgrad.

Genom att direkt koppla samman förstärkare och antenn kan man undvika att använda en ”combiner” för att ge 90° fasförskjutning mellan de båda förstärkarna i ett Dohertysteg så att det kan utformas mer kompakt.

Ett förstärkarsteg enligt Dohertyprincipen

I ett slutsteg för 28 GHz har man integrerat såväl IQ-modulator, D/A-omvandlare och ett digitalt minne.

Chalmers har också inlett försök där man lämnar basstationer, anordnade som celler, för att i ställer införa ”cell-free massive MIMO”. I det fallet är cellerna fritt distribuerade och digitalt förbundna med fiber.

Gunnar Lilliesköld i samarbete med Christian Fager,
och Thomas Eriksson, professorer vid Chalmers

Referenser:

(1) Christian Fager, ”Transmitter Challenges in Emerging Communication and Radar Systems”, föredrag inom Chalmers.

[2] Christian Fager: ”Transmitter Design Challenges in Emerging Wireless Communication and Radar Systems”, föredrag inom Chalmers.

[3] C Fager, T Eriksson, F Barradas, K Hausmair, T Cunha, J C Pedro: ”Linearity and Efficiency in 5G Transmitters”, IEEE microwave magazine, maj 2019.

Filed under: Teknikartiklar