Жидкие кристаллы: энергоэффективное и экономичное решение для управляемых антенных решеток 5G

Пятое поколение связи, привычно называемое 5G New Radio, или сокращенно 5G, уже развертывается по всему миру. Для его реализации используются диапазоны частот, лежащие несколько ниже 6 ГГц (субдиапазон 6 ГГц), и частоты миллиметрового диапазона. Первый диапазон частот, например, выбрали такие операторы, как Deutsche Telekom, O2, Sprint, Vodafone и Three, а ставку на миллиметровые волны сделали AT&T, Verizon и SK Telekom. Однако проблема пятого поколения мобильной связи, в отличие от своих предшественников 4G, 3G и 2G, заключается не просто в выборе диапазона исходя из предпочтений в реализации аппаратной части, а в особенностях распространения радиоволн, в частности миллиметровых, что требует увеличения узлов сотовой сети. Решение с одной вышкой, покрывающей относительно большую площадь, здесь недоступно. Так что для того, чтобы 5G стало «сетью для всего», то есть доступной «для всех и везде», необходимо предоставить аппаратное решение, способное не только обеспечить высокие скорости передачи данных, но и сделать это экономно с небольшим общим энергопотреблением и низкими капитальными затратами.

Одним из ключевых аппаратных компонентов физического уровня для систем сотовой связи, как известно, является антенна. До сих пор типичными антенными решениями были либо параболические антенны для линий связи с высоким коэффициентом усиления, например, транзитной связи точка-точка, либо секторные антенны (направленная микроволновая антенна с секторной диаграммой направленности) базовых станций для реализации многоточечной связи. Однако эти типы антенн не предусматривают функции управления лучом диаграммы направленности, в том числе для транзитного (транспортного) соединения, или регулируются в пределах нескольких градусов в одном измерении (1D) для вертикального наклона луча. А вот для 5G требуются полноценно управляемые ESA, особенно на частотах миллиметрового диапазона. Это вызвано тем, что для повышения КПД и снижения мощности передатчика луч диаграммы направленности формируется максимально точно в сторону абонента и, кроме того, отслеживает его перемещение.

Требования к 5G-антеннам

Полосы частот для связи 5G, как уже было сказано, делятся на диапазоны — субдиапазон 6 ГГц и миллиметровые волны, то есть частоты выше 24 ГГц. Из-за их характеристик распространения диапазон частот субдиапазона 6 ГГц больше подходит для более крупных и менее плотных сот в сельских районах. В этих случаях может оказаться вполне допустимым управление одномерной антенной, например, по азимуту.

Однако суть и преимущество технологии 5G — это предложение не просто услуг связи, а высоконадежные сети с услугами высокоскоростной передачи данных. Для этого требуется широкая полоса пропускания, которую объективно легче и проще реализовать на более высоких частотах, например, в области миллиметровых волн (подробнее в [1]). Этот факт подчеркивается и недавним заявлением Международного союза радиосвязи (International Radio Union (ITU) после Всемирной конференции радиосвязи 2019 года — World Radiocommunication Conference 2019. В результате для облегчения реализации различных сценариев внедрения и использования 5G были определены пять дополнительных полос частот миллиметрового диапазона: 4,25–27,5 ГГц, 37–43,5 ГГц, 45,5–47 ГГц, 47,2–48,2 ГГц и 66–71 ГГц [2].

Недавние аукционы по полосе частот в США, Японии и Европейском союзе, на которых полоса 26 ГГц была выделена для 5G и раннего развертывания 5G на частотах миллиметрового диапазона в США и Азии, тоже демонстрируют повышенный интерес к миллиметровым волнам для таких приложений, как фиксированный беспроводной доступ (fixed wireless access, FWA) и обеспечению hot-spot-покрытия в сотовой сети 5G [3]. Hot-spot буквально означает «горячие точки» — это маленькие, относительно высокой мощности приемопередающие выделенные узлы сотовой сети, охватывающие области или площадь с высоким траффиком, часто временным.

Сказанное выше касается и городских районов с плотной жилищной застройкой и, соответственно, отличающихся высоким мобильным трафиком, то есть с высоким спросом на пропускную способность на одного абонента и большим количеством абонентов, что требуют высоких скоростей передачи данных, а значит, большой пропускной способности. Это неизбежно приводит к увеличению частот до миллиметрового диапазона, где доступны большие полосы частотного спектра.

Однако для того чтобы обслуживать множество пользователей с высокой пропускной способностью, из-за больших потерь в тракте на миллиметровых частотах и из-за высокого мобильного трафика необходимо развернуть сверхплотную сотовую сеть с большим количеством пико- и фемтосот. Кроме того, чтобы уменьшить влияние потерь на пути распространения миллиметровых волн и снизить помехи в этих плотных сотовых сетях, требуются узконаправленные антенны с высоким коэффициентом усиления и с двумерным управлением лучом или формированием узкого направленного луча и возможностью многолучевого излучения. Более подробно о проблемах реализации возможностей 5G, связанных со структурой сигнала и антеннами, можно ознакомиться в [4].

Фазированная антенная решетка на основе жидких кристаллов

Как подробно описано в [5], технология ЖК-антенны объединяет технологию жидкокристаллического дисплея с антенной структурой микроволнового диапазона и конструкцией антенной решетки, как это в общем виде показано на рис. 1.

Рис. 1. Фазированная антенная решетка на основе жидкокристаллических структур

Фазированная решетка состоит из питающей схемы (фидера), блока ЖК-фазовращателя, жидкокристаллический структуры типа ЖК-дисплея и блока излучателей. Используя этот подход, все части антенны можно проектировать независимо и по модульному принципу. Блок ЖК-фазовращателя изготавливается по стандартным процессам, используемым в производстве обычных ЖК-дисплеев. Это позволяет относительно легко и просто организовать их крупномасштабное производство практически с любым размером апертуры, включая как отдельные сегменты, так и большие антенные группы. Блок ЖК-фазовращателя антенны состоит из двух стеклянных листов, разделенных прокладками, между которыми находится жидкокристаллический материал.

В зависимости от выбранной топологии устройства толщина ЖК-слоя может варьироваться от единиц до десятков микрометров. Функцию фазового сдвига, как показано на рис. 2, выполняет инвертированная микрополосковая линия (inverted microstrip line, IMSL) с типичной толщиной ЖК-слоя IMSL приблизительно в 100 мкм. Имеются и другие топологии фазовращателя с толщиной ЖК-слоя всего в несколько микрометров. Это обеспечивают более низкие потери и более компактный размер [6, 7] и существенно снижает время отклика антенны, который может быть сокращен вплоть до уровня миллисекунд [8].

Рис. 2. Блок фазовращателей:
a) поперечное сечение;
б) IMSL;
в) линия нагрузки;
г) схема с входом и выходом

В блоке фазовращателя внутренние поверхности слоев стекла металлизируются, а затем, для закрепления ЖК и обеспечения ориентации материала, покрываются слоем полиимида. Обычно для радиочастотного сигнала из-за своей поляризации ЖК-структура имеет низкую эффективную диэлектрическую проницаемость. Когда между «землей» и сигналом подается напряжение, жидкие кристаллы меняют ориентацию в соответствии с величиной приложенного напряжения, как это показано на рис. 3.

Рис. 3. Настройка ЖК-фазовращателя

Если приложенное напряжение смещения Vb выше порогового напряжения Vth, молекулы стремятся ориентироваться в направлении приложенного электростатического поля. Результирующая ориентация определяется равновесием между приложенной электрической силой и силой упругости в объемном ЖК из-за наличия выравнивающего слоя. Следовательно, становится возможной плавная настройка диэлектрической проницаемости ЖК-материала. Чем больше жидких кристаллов ориентировано по полю смещения, тем выше эффективная диэлектрическая проницаемость для проходящего радиочастотного сигнала. Когда напряжение смещения отключено, молекулы из-за наличия слоя и сил упругости выравнивания возвращаются к исходной ориентации. Возможны и другие топологии, предлагающие иные варианты конструктивного исполнения, но базовый принцип работы остается все тот же, без изменений.

На виде сверху матрицы на основе ЖК (рис. 4) видно, что каждая элементарная ячейка имеет независимые фазовращатели, которые, когда они получают сигнал от питающей схемы (фидера) с одной стороны, соединяются и передают его излучающим элементам на другой стороне. Таким образом, организуется классическая фазированная антенная решетка, в которой каждый отдельный излучатель имеет соответствующий ему независимый фазовращатель, формирующий диаграмму направленности антенны.

Рис. 4. Фазированная антенная решетка на основе ЖК-антенн, в которой каждый излучатель питается от независимого ЖК-фазовращателя

Фазовращатели на основе жидких кристаллов, в отличие от полупроводникового цифрового фазовращателя, благодаря плавной перестройке могут обеспечить любое значение фазы и таким образом осуществлять непрерывное и плавное управление диаграммой направленности антенной решетки. При этом возможны различные размеры панелей: панели по типу телевизионных экранов для спутникового приема, панели размером с компакт-диск для конформных схем или мультиантенные модули для наземных приложений, таких как 5G. Однако интерес представляет не столько перспектива и возможности ЖК-антенн и выполненных на их базе пассивных фазированных антенных решеток, сколько их практическая реализация. Один из возможных вариантов предлагает компания ALCAN, которая разработала и запатентовала недорогое электронное решение, созданное специально для фазированных решеток, выполненных на основе ЖК-фазовращателей.

Преимущества технологии антенн на жидких кристаллах заключается в том, что она является пассивной, управляется со смещением и, соответственно, потребляет очень мало энергии. Так, управление антенной решеткой, состоящей из 512 излучающих элементов, потребляет менее 0,5 Вт мощности. В зависимости от топологии и выбора конструкции достигаются вносимые потери, которые составляют всего 2–3 дБ, а время управления лучом выражается в миллисекундах [8]. Задержка — это время между возбуждением и соответствующим ему ответом, которое в основном является проблемой обработки сигнала, в то время как задержка управления — это время, необходимое для изменения направления луча. И хотя время реакции ЖК-систем, как уже было сказано, составляет миллисекунды и по факту оно больше, чем у антенных решеток, использующих интегральные схемы формирователя луча, что может показаться ограничением, однако время управления порядка нескольких миллисекунд совместимо с задержкой в 1 мс или даже менее. Как известно, любая разработка, тем более в такой деликатной сфере, как системы связи в области миллиметровых волн еще и с формированием и управлением лучом диаграммы направленности, это всегда поиск компромиссов. Соответственно, при реализации проекта придется взвешивать все pro et contra.

Надежное удержание луча на цели требуется для двух основных сценариев. Первый — отслеживание высокоскоростных транспортных средств, таких как поезда и самолеты, что в общем достижимо с помощью ЖК-технологии [9]. Второй — для оптимального распределения ресурсов, когда антенна используется в качестве макробазовой станции и выполняет планирование/переключение между разными пользователями в порядке продолжительности символа/временного интервала, аналогично макробазовым станциям с полосой субдиапазона 6 ГГц. Однако, работая в области миллиметровых волн, антенна базовой станции используется в основном в качестве точки доступа для малых сот или точки доступа фиксированного беспроводного доступа (FWA), где количество пользователей меньше и быстрое переключение между абонентами не требуется.

Другие типы антенн на основе жидких кристаллов основаны на голографическом формировании луча. Они используют жидкие кристаллы в метаматериальном состоянии в антеннах с вытекающей волной. Такие антенны основаны на резонансных метаатомах и имеют фундаментальные ограничения, такие как, например, ограниченная полоса пропускания. Эти решения для взаимодействия с сопряженными структурами требуют десятков тысяч элементов, эквивалентных метаатомам [10] и имеют весьма сложную конструкцию и схемы управления [11]. Поскольку в конечном приложении необходимо управлять несколькими тысячами настраиваемых устройств, это становится препятствием для увеличения размера антенны и сказывается на ее стоимости.

Архитектуры антенн для приложений 5G

В зависимости от приложения и типа линии связи возможно два антенных решения. Первое — полностью аналоговые антенные решетки управления лучом для каналов широкополосного беспроводного доступа точка-точка (point-to-point, PtP), второе — гибридные аналоговые/цифровые антенные решетки управления лучом с возможностью многолучевого управления для каналов широкополосной многоточечной связи (point-to-multipoint PtMP), таких как базовые станции с массивами MIMO (mMIMO) (рис. 5).

Рис. 5. Полностью аналоговая архитектура (a) системы управления лучом диаграммы направленности и архитектура системы гибридного управления лучом (б)

В гибридной архитектуре для каждого подмассива используется одна радиочастотная цепочка, а в аналоговой архитектуре для всего массива предусмотрена одна радиочастотная схема — трансмиттер. ВЧ-тракт трансивера состоит из одного усилителя мощности (УМ) для передачи, одного малошумящего усилителя (МШУ) для приема и коммутатора Tх/Rх, отвечающего уровням мощности 5G и требованиям дуплексной связи с временным разделением.

Здесь необходимо дать некоторые пояснения. MIMO (Multiple Input Multiple Output, множественные входы, множественные выходы) — это метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, при котором для передачи данных используются две и более антенны и такое же количество антенн для приема. Передающие и приемные антенны разносят так, чтобы корреляция между соседними антеннами была слабой. Massive MIMO (mMIMO) — это ключевая технология увеличения пропускной способности сети 5G, разработанная компанией Samsung Electronics. Massive MIMO повышает пропускную способность сети и удобство эксплуатации 5G пользователями. Технология Massive MIMO позволяет управлять множеством антенн для концентрации излучаемых радиосигналов в узком луче, сфокусированном на определенном пользователе, что приводит к значительному увеличению пропускной способности и эффективности при одновременном сокращении помех между находящимися рядом устройствами.

Вернемся к рис. 5. Полностью аналоговая архитектура, показанная на рис. 5a, подходит для однолучевых однопользовательских, PtP-решений и предлагает лучшую стоимость и простоту реализации. При этом архитектура, показанная на рис. 5б, обеспечивает наилучший компромисс между гибкостью формирования диаграммы направленности, стоимостью и сложностью внешнего РЧ-интерфейса для многопользовательских сценариев PtMP.

По сравнению с кремниевыми антеннами формирования диаграммы направленности, для интеллектуальной ЖК-антенны и ее гибридной архитектуры формирования диаграммы направленности требуется меньше высокочастотных компонентов. Использование технологии ЖК-фазовращателя для достижения фазового сдвига для каждого элемента с помощью пассивных подматриц требует гораздо меньших материальных затрат и по сравнению с типичным подходом с использованием микроволновых монолитных интегральных схем (MMIC) потребляет значительно меньше энергии. Архитектура формирования луча не требует МШУ, УМ и коммутатора Tх/Rх для каждого элемента и предусматривает один переключатель на подмассив. Проблемы проектирования и требования к широкополосным усилителям мощности, используемым в mMIMO-приложениях описаны в [17].

В фазированных решетках на основе MMIC для формирования диаграммы направленности обычно используются стандартные ИС, доступные от таких компаний, как Analog Devices, Anokiwave и Qorvo. По сравнению с 5,5 Вт для решения с ЖК-антенной, типовая антенная решетка с числом элементов 8×8, использующая одну из этих коммерческих ИС, потребляет около 20 Вт. В таблице сравниваются характеристики производительности ЖК-антенной решетки 8×8 компании ALCAN с однолучевой аналоговой архитектурой и несколькими антенными решетками той же топологии, но выполненными на основе кремниевых MMIC, также предполагающих работу на частоте 28 ГГц.

Примечание. ЭИИМ (англ. EIRP — Equivalent Isotropically Radiated Power), эквивалентная изотропно-излучаемая мощность — произведение мощности радиочастотного сигнала, подводимого к антенне, на абсолютный коэффициент усиления антенны.

Для крупных антенных решеток с большим числом элементов различия становятся более значительными, особенно в энергопотреблении, поскольку энергопотребление ЖК-решения не повышается линейно с увеличением числа элементов в матрице. Например, для решетки размером 16×16 элементов с четырьмя лучами и минимальной эквивалентной изотропно излучаемой мощностью (equivalent isotropically radiated power, EIRP) 60 дБм, общая потребляемая мощность ЖК-антенны по сравнению с 65 Вт для антенных решеток на основе MMIC составляет лишь около 19 Вт [13].

В простом, но наглядном примере, приведенном в [14], показано, что для одного из пригородов Далласа (штат Техас, США) с 800 домами на 1 км2 для обеспечения сервиса 1 Гбит/с на пользователя требуется девять станций сотовой связи с расстоянием между базовыми станциями 500 м. Для того чтобы обеспечить полное покрытие на 360° вокруг соты, каждой сотовой станции требуется не менее трех антенн доступа с охватом 120°. Это означает, что на 1 км2 нужно как минимум 27 антенн доступа. Максимальный разрешенный EIRP для внешней антенны доступа к базовой станции составляет 75 дБмВт, и вполне естественно, что операторы стремятся использовать данный уровень для обеспечения максимального покрытия и максимальной емкости [15]. Для решений на основе кремниевых MMIC антенна с EIRP 75 дБм потребляет более 200 Вт, тогда как ЖК-антенна потребляет всего около 35 Вт и может питаться от солнечной панели с апертурой лишь 48×66 см.

Антенны на основе жидких кристаллов выигрывают от рентабельной технологии фазового сдвига, которая использует существующие возможности массового выпуска производственных линий ЖК-дисплеев с низкими предельными затратами на изготовление ЖК-панели дополнительного типа. Эта экономия на масштабах позволила компании ALCAN снизить стоимость ЖК-фазовращателя в 100 раз, примерно до $300 на 1 м2. Для сравнения фазированная антенная решетка с полупроводниковыми фазовращателями при использовании пластин диаметром 30 см оценивается примерно в $30 тыс. на 1 м2. В зависимости от области применения антенны, фазированные антенные решетки на основе жидких кристаллов, включая ВЧ-интерфейс с УМ, МШУ и коммутатор Tх/Rх для каждой решетки или подматрицы, потребляют до пяти раз меньше энергии и стоят в 10 раз дешевле по сравнению с фазированными антенными решетками на основе полупроводников, особенно на миллиметровых частотах.

Особенности применения

Наземная мобильная сеть (рис. 6), как уже было сказано, обычно использует два типа каналов широкополосного беспроводного доступа: PtP и PtMP. Каналы PtP обеспечивают транзитные и передние соединения между макросами и небольшими сотами, и в них в основном используются антенны с высоким коэффициентом усиления и узкой шириной луча диаграммы направленности. Для каналов PtP требуется управление лучом для выравнивания антенн во время установки канала, динамическое выравнивание для компенсации скручивания и раскачивания антенны под действием ветра, а также при реконфигурации сети.

Рис. 6. Пример гетерогенной сотовой сети 5G [14]

Канал PtMP применяется для соединения между базовой станцией и несколькими пользователями одновременно, обеспечивая им доступ к сети и Интернету. Здесь для обработки сценариев управления лучом, таких как отслеживание перемещающихся пользователей до передачи обслуживания соседнему узлу или автоматическое выравнивание канала для установления услуги FWA между базовой станцией и оборудованием в помещении клиента, требуются более широкие лучи диаграммы направленности, чем для каналов PtP. Соответственно, для увеличения пропускной способности через антенные решетки MIMO все чаще используются решения с несколькими лучами.

Новая тенденция, называемая self-backhauling (образование транспортных каналов за счет собственных возможностей) или Integrated Access and Backhaul (интеграция каналов доступа и транспорта), использует одну антенну для формирования каналов PtP и PtMP. Для таких случаев применяются модульные антенны mMIMO с гибридной архитектурой формирования луча, которые предлагают лучшие и наиболее совместимые решения.

Что касается пользовательского оборудования (UE), в нем также требуются антенны с электронным управлением (ESA), особенно для преодоления потерь на трассе на частотах миллиметрового диапазона, но с меньшим числом элементов. Но для некоторых абонентских устройств могут понадобиться антенны с высоким коэффициентом усиления и узкими лучами диаграммы направленности, при этом для выравнивания такого узкого луча UE по отношению к лучу точки доступа необходимо весьма эффективное управление. Кроме того, система должна поддерживать выравнивание, если некоторые UE перемещаются с относительно высокой скоростью — например, в условиях прямой связи в технологии, близкой к C–V2X1, где реализуется связь через базовую станцию с находящимся рядом транспортным средством.

Заключение

Для систем связи пятого поколения (5G) антенны с электронным управлением становятся основным требованием как для сетевых узлов, так и для абонентских терминалов. В области миллиметровых волн, где они будут развернуты в значительных количествах, такие антенны должны быть небольшого размера для того, чтобы быть незаметными в городских условиях, дешевым, экономически оправданным при эксплуатации, энергоэффективным, потреблять минимальную мощность. К тому же они должны иметь небольшую массу, что упрощает их установку и обслуживание.

К основным особенностям, которые отличают фазированные решетки на основе жидких кристаллов от других антенных решений, относятся:

1. Энергоэффективность, низкое энергопотребление на уровне нескольких ватт и, соответственно, небольшое тепловыделение.
2. Низкая стоимость по сравнению с традиционными активными фазированными антенными решетками, поскольку они не используют фазовращатели на основе MMIC. ЖК-фазированные решетки представляют собой «чистое» пассивное решение с непрерывным управлением лучом.

В зависимости от приложения фазированные решетки на основе жидких кристаллов поддерживают архитектуры формирования диаграммы направленности, которые являются либо полностью аналоговыми для однолучевых ESA, либо гибридными аналогово‑цифровыми для многолучевых ESA. Время отклика у них составляет миллисекунды, что совместимо с требованиями к задержке в 1 мс для большинства случаев использования технологии 5G в таких конечных приложениях, как малые соты, точки фиксированного беспроводного доступа и абонентские терминалы, включая мобильные. Антенные матрицы на основе жидких кристаллов необычайно плоские, что делает их совместимыми с низкопрофильными приложениями.

В заключение необходимо отметить, что проблемы широкополосной связи на уровне пятого поколения не заканчиваются. И уже в обозримом будущем мы войдем в шестое поколение (внедрение которого предполагается во второй половине 2020‑х — 2030‑е гг.), которое сдвинется из гигагерцевой в террагерцевую область, но это уже совсем другой уровень техники и еще более сложных проблем, требующих своего решения. Одна из технологий, которая может быть реализована в шестом поколении средств сотовой связи, — применение радиофотонных цифровых антенных решеток на базовых станциях в сочетании с технологией mMIMO. При этом рассматриваются варианты базовых станций с антенными системами, формирующими порядка 250 лучей диаграммы направленности в рабочем секторе. Однако в этом направлении свое слово могут сказать и ЖК-антенны.