In precedenza, velocità di trasmissione dati wireless più elevate venivano ottenute attraverso schemi di modulazione sempre più complessi, che incapsulavano più bit di dati nella stessa porzione di spettro. Questa soluzione ha attualmente raggiunto il suo limite di applicazione pratica, quindi in futuro, sia che sia progettata per applicazioni commerciali di throughput 5G o per collegamenti militari ad alta capacità, farà affidamento su una larghezza di banda più ampia anziché su una modulazione più densa. Questa trasformazione tecnologica ha costretto i progettisti a rivolgersi allo spettro delle onde millimetriche (mmWave), che può ottenere varie nuove funzioni attraverso abbondanti risorse di spettro, ma comporta anche una serie di sfide di progettazione completamente diverse.
Il sistema di comunicazione 5G sta beneficiando di anni di lavoro di ricerca inizialmente condotto da imprese di difesa. Ad esempio, la tecnologia delle antenne a schiera di fasi originata dal campo della difesa nazionale può ottenere la scansione del raggio e il tracciamento sincrono multi-bersaglio, ed è ora ampiamente adottata nelle applicazioni 5G per la trasmissione simultanea di più flussi di dati a più utenti. I sistemi commerciali operano sempre più in bande di frequenza come 28 GHz e 39 GHz per ottenere la larghezza di banda richiesta per i collegamenti multi gigabit.
Analog Devices, Inc. e altre società utilizzano la propria esperienza accumulata nel campo delle onde millimetriche nelle applicazioni del settore della difesa per fornire componenti standard che soddisfano sia i requisiti prestazionali della difesa che le esigenze di produzione di infrastrutture commerciali. La tecnologia avanzata di montaggio superficiale dei circuiti integrati ad alta frequenza contribuisce all’implementazione su larga scala della tecnologia 5G.
Sia il 5G che l’industria della difesa fanno affidamento su hardware avanzato ad alta frequenza. Le reti 5G sono ottimizzate per specifiche porzioni di spettro ristretto per massimizzare il throughput, mentre le applicazioni militari come la guerra elettronica (EW) richiedono una larghezza di banda operativa più ampia per garantire capacità di rilevamento dello spettro. Nonostante queste differenze, lo sviluppo di un’ampia larghezza di banda di modulazione nel campo del 5G ha stimolato un vantaggio simbiotico a livello di produzione.
L’integrazione della tecnologia delle onde millimetriche in questi campi ha raggiunto la scala di produzione necessaria per la diffusione commerciale. Inoltre, questa fusione riduce notevolmente i costi legati al ricorso a costosi processi di assemblaggio “chip and wire” in piccoli lotti per produrre prodotti per applicazioni militari.
Questa scala si basa su circuiti integrati a radiofrequenza (RFID) altamente integrati, moduli Phased Array e soluzioni di test facili da usare. Al giorno d'oggi, queste soluzioni vengono sempre più offerte alle piccole società di progettazione, che in passato non disponevano del budget o delle capacità specializzate dei grandi appaltatori della difesa.
Questa promozione reciproca costituisce anche un'infrastruttura di test condivisa. In passato, testare antenne a schiera a 28 GHz e 39 GHz richiedeva camere anecoiche costose e di grandi dimensioni. L’adozione diffusa del 5G ha promosso lo sviluppo di soluzioni di test OTA già pronte e convenienti, che le aziende della difesa possono utilizzare per risolvere rapidamente le sfide di sviluppo prodotto senza richiedere investimenti finanziari significativi. La popolarità di questi elementi costitutivi convalidati e direttamente distribuibili consente alle aziende di progettazione di tutte le dimensioni di utilizzare l'onda millimetrica come un sottosistema facile da gestire, semplificando la trasformazione di promettenti applicazioni di onde millimetriche da diagrammi schematici in hardware distribuibile.
Innovazione dello spettro
Per decenni, l’innovazione della tecnologia wireless ha utilizzato due metodi fondamentalmente diversi: codificare più informazioni in ogni diverso stato del segnale (simbolo) o espandere lo spazio spettrale utilizzato per trasmettere informazioni.
Schemi di modulazione più semplici danno priorità alla robustezza e all'integrità del segnale, mentre schemi più complessi migliorano la velocità di trasmissione dei dati trasmettendo più bit per simbolo. Il metodo di modulazione di base utilizza una piccola quantità di informazioni (come un singolo bit) per rappresentare ciascun simbolo. I progettisti possono migliorare le prestazioni del sistema utilizzando schemi di modulazione più complessi come QAM per codificare più informazioni per ciascun simbolo o accedendo a canali di spettro più ampi in bande di onde millimetriche a frequenza più elevata.
La modulazione determina il modo in cui i dati vengono impacchettati su una portante, mentre gli amplificatori di potenza (PA) assicurano che i bit di dati raggiungano la destinazione prevista. Nel campo commerciale del 5G, gli amplificatori di potenza danno priorità all’efficienza e alla linearità all’interno delle bande di frequenza designate per supportare array a fasi ad alto rendimento. Tuttavia, nei sistemi militari, vengono solitamente perseguite una gamma di frequenze più ampia e una potenza maggiore per migliorare la chiarezza del radar, le capacità di comunicazione satellitare e l'usabilità.
Anche con il progresso della tecnologia di modulazione, esiste ancora un limite fondamentale alla quantità di dati inviati attraverso specifiche bande di frequenza portante (FC). Un principio chiave è che il throughput dei dati è direttamente correlato alla larghezza del canale, ovvero la larghezza di banda del segnale modulato (FBW). Per ottenere velocità di trasmissione dati più elevate, è necessario un canale di frequenza portante più ampio, proprio come passare da un'affollata autostrada a corsia singola a un'autostrada a dieci corsie (Figura 1).