בשעה שה-5G עולה באופק, זהו זמן מאתגר להיות מהנדס RF. כאשר אנחנו עולים על האנייה בדרך ל-5G, מערכת התקשורת האלחוטית מהדור הבא, קיימים אתגרים והזדמנויות אין-ספור המופיעים עבור קהילת ההנדסה. 5G מציגה גם את ההתפתחות וגם את המהפכה של הטכנולוגיות הניידות השונות המגיעות למטלות בעלות רמה גבוהה אשר פורסמו נכון לעכשיו על-ידי חברים שונים של המערכת הכלכלית האלחוטית.
5G נראית בבירור בתור דור האלחוט אשר יאפשר לקשר הסלולרי להתרחב לתוך מערך חדש של שימוש, נושאים ושווקים אנכיים. בעוד ה-5G נראית ככלל כטכנולוגיה המספקת שירותים בעלי פס רחב ביותר, הכוללים הזרמת וידאו HD ו-ultraHD, טכנולוגיית ה-5G תאפשר לתקשורת הסלולרית לחדור גם לעולם המכונות. היא תתרום לכלי-הרכב האוטונומיים ותשמש לחיבור של מיליוני חיישנים תעשייתיים ומספר גדול של התקני צריכה בעלי-בליה, אם להזכיר יישומים אחדים.
הנתיב ההתפתחותי אל 5G מורכב מהגברות מצטברות של ה-4G בתחומים הסלולריים השגרתיים והרחבתם בתדר לפסים המופיעים בתחום ה-3 גיגה-הרץ עד 6 גיגה-הרץ. ל-MIMO המאסיבי יש תנופה בתעשייה והוא יתפתח מהמערכות הראשונות המבוססות על LTE לאימוץ של צורות גל חדשות המיועדות לשפר את התפוקה, הכמיסות ויעילות התאים.
ספקטרום נראה כדם החיים של תעשיית הסלולר אך הספקטרום בתחומי הסלולר המסורתיים (מתחת ל-6 גיגה-הרץ) אינו יכול לשאת את הדרישה העולה אקספוננציאלית בשנים הבאות. לכן, התחומים מעל 6 גיגה-הרץ נמצאים עתה במחקר כדי לבחון את החיוניות של פריסת הגישה האלחוטית בהקצאת תדרים מעל 6 גיגה-הרץ. בעוד הספקטרום העולמי הכולל הזמין מתחת ל-6 גיגה-הרץ הוא בסדר גודל של מאות מגה-הרץ, כמות הספקטרום הפוטנציאלי מעל 20 גיגה-הרץ הוא של עשרות גיגה-הרץ. האילוף של ספקטרום זה נחשב לחיוני בהשגת הראייה של 5G בתור עולם מחובר באמת.
כתוצאה, קטע של
איור 1. סכמה מלבנית של משדר יצירת אלומה היברידי
5G עשוי לפעול בתדרים הרבה יותר גבוהים (אולי עד הגלים המילימטרים) ואמור לאמץ טכנולוגיות ממשקים של אוויר שאינן תואמות אחורה ל-LTE. תחומי התדרים שנידונים בין שחקני המפתח של התעשייה כוללים תחומי תדר כגון 10 גיגה-הרץ, 28 גיגה-הרץ, 32 גיגה-הרץ, 43 גיגה-הרץ, 46 גיגה-הרץ עד 50 גיגה-הרץ, 56 גיגה-הרץ עד 70 גיגה-הרץ, ו-81 גיגה-הרץ עד 86 גיגה-הרץ. אולם, תחומים אלה הם כעת במצב של הצעות והרבה עבודה נותרה להשלים בדגימת ערוצים לפני הגדרות מערכות הרדיו ודיוני התקנים. ה-ITU פרסמה לאחרונה תוכנית לתקינת ה-5G במטרה לפרסם את הדור הראשון של מפרטי ה-IMT-2020 מסביב לשנת 2020.
היות וה-5G נמצא עדיין בשלב הילדות שלו, יש להשלים הרבה עבודה בדגימת הערוצים, הגדרת ארכיטקטורת הרדיו ולבסוף פיתוח מערכי שבבים לפני שהמערכות המסחריות הראשונות ייחשפו. אולם, יש מגמות ודרישות מסוימות שכבר הוסכם עליהן ובעיות שיש לפתור אשר יובילו אל מערכות ה-5G הסופיות.
הבה נתבונן על מערכות גישה של 5G בתדרי מיקרוגל וגלים מילימטרים. אחד הקשיים העיקריים במימוש גישת רדיו בתדרי מיקרוגל הוא להתגבר על מאפייני ההתפשטות השליליים. התפשטות הרדיו בתדרים אלה מושפעת מאוד על-ידי הניחות האטמוספרי, גשם, חסימה (בניינים, אנשים, עלווה); והחזרות. חיבורי נקודה-לנקודה במיקרוגל נפרסו מזה שנים רבות אך אלו הן בד”כ מערכות קווי-ראייה. העובדה שהן נייחות עושה את החיבור לניתן לניהול, והמערכות פותחו בשנים האחרונות, אשר תומכות בתפוקה מאוד גבוהה תוך שימוש בסכמות אפנון מהסדר הגבוה. טכנולוגיה זו מוסיפה להתפתח ואנחנו נקדם את טכנולוגיות חיבור המיקרוגל אל הגישה ל-5G.
מוקדם במחזור, הוכר שיצירת אלומות מסתגלת תידרש כדי להתגבר על אתגרי ההתפשטות עבור מערכות גישה. שלא כמו המערכות נקודה-לנקודה, יצירת אלומות תצטרך להתקבל אצל המשתמשים והסביבה כדי לספק את המטען למשתמש. מוסכם לרוב בתעשייה שמערכות MIMO היברידיות ישמשו במיקרוגל וגלים מילימטרים נמוכים, בעוד בתחומי ה-V וה-E – שם רוחב-הפס נמצא בשפע- המערכות ישתמשו כנראה ביצירת אלומות כדי להשיג את מטלות התפוקה הדרושות.
הדיאגרמה באיור 1 מציגה דיאגרמה מלבנית ברמה גבוהה של המשדר היוצר אלומות ההיברידי. ניתן לראות את המקלט בתור הדבר ההפוך. קידוד ה-MIMO מבוצע בחלק הדיגיטלי ביחד עם עיבוד הרדיו הדיגיטלי האופייני. עשויים להיות נתיבי MIMO מרובים המעובדים בחלק הדיגיטלי מזרמי הנתונים השונים המזינים את מערכת האנטנה. עבור כל תזרים נתונים, ה-DAC ממיר את האות לאנלוגי או בפס הבסיס או בתדר ה-IF, תלוי בארכיטקטורה שנבחרה. האות מומר כלפי מעלה ומפוצל לנתיבי ה-RF המרכיבים אותו כדי להזין אנטנות עצמיות. בכל נתיב RF, האות מעובד כדי להציב את השבח והמופע לקראת יצירת אלומה מחוץ לאנטנה.
בעוד הדיאגרמה המלבנית היא פשטנית, אתגרי המערכת והפשרות שלה הם מורכבים. בטיפול מקוצר זה של הנושא יידונו רק סוגיות מעטות, אך הבה נתמקד באתגרי הארכיטקטורה והרדיו. תכנון מערכת זו תוך שמירה על ההספק, הממד והעלות הוא קריטי מההתחלה כדי להביא את המערכות הללו לידי שלב מעשי.
בעוד מערכות רדיו אלה יכולות ואכן נבנות כיום כאבי-טיפוס למערכות 5G תוך שימוש בהתקנים דיסקרטיים (בעיקר GaAs) של Analog Devices והעמיתים שלנו, אנחנו צריכים להביא את אותן הרמות הגבוהות של שילוב לתוך מרחב המיקרוגל כמו זה שמומש ברדיו סלולרי. שילוב גבוה וביצועים גבוהים מהווים בעיה קשה לפיתרון עבור התעשייה.
אולם השילוב בלבד איננו הפתרון בבעיה זו הניצבת בפני התעשייה. דרוש שילוב חכם. כאשר אנחנו חושבים על שילוב, עלינו לחשוב תחילה על הארכיטקטורה וההפרדה כדי להשפיע על היתרונות של השילוב. במקרה זה, יש להביא בחשבון גם את התכנון המכני והתרמי מאחר שמערך המעגל והמצע שלו קשורים זה בזה.
ראשית כל, יש להגדיר ארכיטקטורה מסייעת לשילוב. אם נשקול את הדוגמאות של ICs של מקמ”ש משולב ביותר עבור תחנות בסיס סלולריות, רבים משתמשים בארכיטקטורת אפס IF כדי לבטל או למזער את הסינון בנתיב האות. במיוחד בתדר המיקרוגל, יש למזער את ההפסד במסנני ה-RF, מאחר שהספק ה-RF הוא יקר ליצירה. בעוד ה-ZIF יקטין את סוגיית המסנן, ברור שהפשרה היא ביטול ה-LO, אך אנחנו נעביר את הבעיה ממבנים פיזיקליים לעיבוד אותות ואלגוריתמים. כאן אנחנו יכולים להפעיל את חוק Moore, בו מבני מיקרוגל פאסיביים אינם עוקבים אחר אותה הדינמיקה של ספירה (scaling). חיוני לנצל את היכולת לייטוב אנלוגי ודיגיטלי בו-זמנית כדי להשיג את המטרות שלנו. יש הרבה אלגוריתמים וטכניקות מעגלים ששימשו בתדר הסלולרי שיכולים להביא ליתרונות במרחב המיקרוגל.
שנית, חשוב על דרישות טכנולוגיית המוליכים למחצה. כמוזכר לעיל, מערכות מיקרוגל מעודכנות ממומשות בד”כ ברכיבי GaAs .GaAs היה המשען העיקרי של תעשיית המיקרוגל מזה שנים רבות, אולם תהליכי SiGe מתגברים על המחסומים של פעולה בתדר גבוה לעומת ה-GaAs המתחרה ברבות מפונקציות נתיב האות. תהליכי BICMOS SiGe של מיקרוגל בעלי ביצועים גבוהים מאפשרים רמה גבוהה של שילוב הדרושה עבור מערכות יצירת אלומות הכרוכות בחלק גדול של שרשרת האותות כמו גם פונקציות בקרה נוספות.
PAs של GaAs עשויים להיות דרושים, בתלות בהספק המוצא הדרוש בכל אנטנה. אולם, אפילו PAs מ-GaAs אינם יעילים בתדרי מיקרוגל מאחר שהם ככלל בממתח באזור הליניארי. ליניאריזציה של PAs במיקרוגל היא תחום הבשל לחקירה בעידן ה-5G, יותר מאשר אי-פעם בעבר.
מה בדבר CMOS?
האם הוא גם מתחרה?
העובדה ש-CMOS מתאים לספירה בנפח גבוה ודבר זה הוכח במערכות WiGig ב-60 גיגה-הרץ. בשל השלב המוקדם של פיתוח ואי-הביטחון של המקרים שבשימוש, קשה לומר בנקודה זו אם או מתי ה-CMOS תהווה טכנולוגיה לבחירה עבור הרדיו של 5G. יש לבצע הרבה עבודה ראשית בדיגום הערוצים ומקרי השימוש כדי לסיים את מפרטי הרדיו והיכן CMOS במיקרוגל עשויים להתאים למערכות עתידיות.
השיקול הסופי במערכות 5G הוא התלות ההדדית של התכנון המכני וחלוקת ה-IC של RF. בהתחשב באתגרים למזעור ההפסדים, יש לתכנן את ה-IC תוך התחשבות באנטנה והמצע כדי להפיק את המיטב מהחלוקה. מתחת ל-50 גיגה-הרץ, האנטנה תהיה חלק מהמצע וצפוי שהניתוב ומבנים פאסיביים אחדים יהיו מובנים בתוך המצע. קיים גוף מחקר המטפל בתחום הגלבוים המשולבים במצע (substrate integrated waveguides -SW) הנראה מבטיח עבור מצעים משולבים אלה. במבנים כאלה תהיה אפשרות להתקין הרבה ממעגלי ה-RF בצד אחד של הלמינאט (laminate) הרב-שכבתי ולנתב אל האנטנות בצד החזית. ניתן להרכיב את ה-ICs RF בצורת פיסה (die) על למינאט זה או במארזים מותקנים על המשטח. יש דוגמאות טובות בספרות התעשייה אודות מבנים כאלה עבור יישומים אחרים.
מעל 50 גיגה-הרץ, מרכיבי האנטנה והמיקום הופכים לקטנים דיים כך שאפשר לשלב את מבנה האנטנה בתוך או על המארז. שוב, זהו תחום של מחקר שוטף שעשוי לקדם את מערכות ה-5G קדימה.
בכל מקרה, יש לתכנן יחד את ה-IC RF והמבנה המכני כדי להבטיח סימטריה בניתוב ולמזער הפסדים. כל העבודה הזו לא תהיה אפשרית ללא כלי דיגום 3D עוצמתיים עבור ההדמיות הנרחבות הדרושות עבור תכנונים אלה.
בשעה שזהו מבט קצר על האתגרים שה-5G מביא לתעשיית המיקרוגל, קיימות אין-ספור הזדמנויות לקדם חידושים ב-RF בשנים הבאות. כמצוין מקודם, גישה של הנדסת מערכות מחמירה תביא את הפיתרון המיטבי על-ידי השפעה של הטכניקות הטובות ביותר בתוך שרשרת האותות. יש לבצע עבודה רבה כדי שהתעשיות של התהליכים והחומרים יפתחו טכניקות ודיגום תכנון בבדיקה וייצור בתדר גבוה. על כל המקצועות לשחק תפקיד בהשגת המטלות של 5G.
כמצוין בראשית המאמר, זוהי תקופה מאתגרת בשביל מהנדס RF בתעשיית האלחוט. 5G רק מתחיל ויש עדיין הרבה עבודה לפנינו כדי להקים רשתות רדיו 5G מסחריות עד 2020.
Dr. Thomas Cameron הוא CTO של ה-Communications Business Unit ב-Analog Devices.
