A banda D pode ser o caminho a seguir para a pesquisa 6G

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Enquanto o resto do mundo está colocando as mãos na tecnologia 5G, os pesquisadores estão lançando as bases para a 6G. Isso superará os recursos atuais de 5G com taxas de dados de mais de 10 Gbps e latência de 1 milissegundo. Ele também pode se conectar a 100 vezes mais dispositivos que o 4G LTE e oferecer 1.000 vezes mais a largura de banda, além de outras melhorias, observadas por Thales em uma análise da tecnologia 5G.

O espectro 6G e as metas de KPI

O espectro 6G e os alvos de KPI. Imagem usada cortesia de 6G Research Visions

Agora, sabemos o que o 6G precisa satisfazer no mínimo, mas como vamos fazer isso? Para responder a essa pergunta, os pesquisadores estão analisando as faixas de frequência e os circuitos que transmitirão e receberão esses sinais.

A banda D e 6G

De acordo com um artigo escrito pelo laboratório de eletrônica CEA-Leti, as comunicações via ondas na faixa milimétrica (mmWaves) – especificamente a banda D – são os canais pelos quais a tecnologia 6G viajará. A banda D é apenas um conjunto especificado de faixas de frequência para comunicação sem fio. Em uma apresentação na banda D, a Nokia descreve estes intervalos:

  • 130–134 GHz
  • 141–148,5 GHz
  • 151,5–155,5 GHz
  • 155,5–158,5 GHz
  • 158,5-164 GHz
  • 167–174,7 GHz
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Todos eles totalizam até 31,7 GHz de frequência a serem utilizados para 6G – isso é muita largura de banda! Isso é comparado aos aproximadamente 13 GHz de largura de banda que o 5G possui, de acordo com a Qualcomm. Esta atualização pode permitir mais conexões por unidade de área. Enquanto essas frequências estiverem abertas, barreiras físicas afetarão essas ondas. A CEA-Leti sugere a necessidade de antenas e circuitos de alto ganho.

Circuitos até o desafio da banda D

A Universidade de Grenoble criou um design com uma antena de alto ganho. Este módulo de antena utiliza parte da banda D, operando entre 114 GHz e 138 GHz com um ganho máximo de 25 dBi e um ganho mínimo de 22 dBi.

O circuito visa uma comunicação ultra-rápida de curto alcance com um multiplicador de frequência integrado. Este multiplicador é composto por uma série de circuitos auto-misturadores e estágios de amplificação. Os auto-mixers dobram a frequência da saída em relação ao sinal de entrada. Abaixo está o diagrama de blocos para o circuito do driver da antena e o circuito para um estágio do misturador individual.

Diagrama e layout do bloco do driver da antena

Diagrama e layout do bloco do driver da antena. Imagem usada como cortesia de Francesco Foglia Manzillo et. al

Em relação ao circuito total do driver da antena, a parte denominada “balun de entrada” é onde o sinal diferencial entra no primeiro estágio do mixer. A parte ativa do circuito (o circuito do transistor – a parte laranja de cada bloco) para os estágios do misturador e do amplificador são do mesmo tamanho, mas os indutores e transformadores de saída (a forma verde na figura do layout) são otimizados em cada estágio pelas frequências com as quais estão lidando.

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Portanto, vemos que os indutores e transformadores diminuem de tamanho à medida que a frequência aumenta. Além disso, enquanto o primeiro estágio de amplificação é um único amplificador, os estágios correspondentes são amplificadores em cascata para o dobro do ganho por estágio. Todos esses amplificadores são idênticos, estágios pseudo-diferenciais de fonte comum.

Transistores NMOS otimizam a resposta de frequência

Agora, podemos ver o esquema do mixer implementando apenas transistores NMOS. Isso ocorre porque a CEA-Leti relatou preocupação com a capacidade do circuito CMOS de responder às altas frequências da banda D. O circuito do misturador implementa dois transistores para a entrada diferencial (M5 e M6), conectados de maneira pull-down a pares diferenciais de transistores NMOS (M1 e M2; M3 e M4).

Estágio de mistura automática: layout esquemático e do transformador.

Esquema de estágio de mistura automática e layout de um transformador de acoplamento. Imagem usada como cortesia de Francesco Foglia Manzillo et. al

M1 e ​​M3 estão conectados a um lado do transformador de saída, enquanto o segundo está conectado a M2 e M4.

Agora, como M5 e M6 são controlados por sinais diferenciais, M1 e M3 conduzem em meios ciclos opostos da onda de entrada. Isso significa que, para o primeiro meio ciclo, M1 está fechado e M3 está aberto, e durante o segundo meio ciclo, M3 está fechado e M1 está aberto.

O mesmo está acontecendo com M2 e M4. Os nós de saída de M1 / ​​M3 e M2 / M4 combinam-se para um sinal diferencial e têm o dobro da frequência da entrada porque as combinações de transistor são ativadas e desativadas em diferentes semiciclos. O mixer então acopla através do transformador ao seguinte estágio de amplificação.

Todos os transistores NMOS neste circuito (misturador e amplificador) são transistores de baixo limiar, otimizando a resposta em frequência do circuito.

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Como o 6G avançará?

Os projetos de banda D e novos circuitos, como o circuito da antena, podem ser uma boa estrutura inicial para a tecnologia 6G. Embora tenhamos uma idéia de onde os sinais 6G viajarão, ainda há um longo caminho a percorrer. Ainda precisamos usar essa banda para comunicação de longo alcance e considerar o desafio da integração em larga escala.

Antena eletronicamente orientável

A ferramenta de rastreamento de raios da SIRADEL ajudou a CEA-Leti a desenvolver uma antena eletronicamente orientável para evitar objetos externos que bloqueiam o desempenho sem fio THz. Imagem usada cortesia de CEA-Leti

A banda D tem o espaço e a capacidade de ultrapassar 5G por muito tempo, e os novos projetos de circuitos de transistor permitirão ganhos tão altos na transmissão e recepção de antenas, o que nos permitirá comunicar em altas frequências.

Por enquanto, o 5G está no palco principal, mas por trás das cortinas, o 6G pode não estar tão longe quanto pensamos.

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