Voorheen werden hogere draadloze datatransmissiesnelheden bereikt door steeds complexere modulatieschema's, waarbij meer bitdata in hetzelfde spectrumsegment werden ingekapseld. Deze oplossing heeft momenteel haar praktische toepassingslimiet bereikt, dus of ze nu is ontworpen voor commerciële 5G-doorvoertoepassingen of militaire verbindingen met hoge capaciteit, ze zal in de toekomst afhankelijk zijn van een grotere bandbreedte in plaats van dichtere modulatie. Deze technologische transformatie heeft ontwerpers gedwongen zich te wenden tot het millimetergolfspectrum (mmWave), dat verschillende nieuwe functies kan bereiken via overvloedige spectrumbronnen, maar ook een reeks totaal verschillende ontwerpuitdagingen met zich meebrengt.
Het 5G-communicatiesysteem profiteert van jarenlang onderzoekswerk dat aanvankelijk werd uitgevoerd door defensiebedrijven. Phased Array-antennetechnologie afkomstig uit het nationale defensieveld kan bijvoorbeeld beamscanning en synchrone tracking van meerdere doelen mogelijk maken, en wordt nu op grote schaal toegepast in 5G-toepassingen voor het gelijktijdig verzenden van meerdere datastromen naar meerdere gebruikers. Commerciële systemen werken steeds vaker in frequentiebanden zoals 28 GHz en 39 GHz om de bandbreedte te verkrijgen die nodig is voor multi-gigabitverbindingen.
Analog Devices, Inc. en andere bedrijven maken gebruik van hun opgebouwde millimetergolfexpertise in toepassingen in de defensie-industrie om standaardcomponenten te leveren die voldoen aan zowel defensieprestatie-eisen als de productiebehoeften van commerciële infrastructuur. Geavanceerde hoogfrequente IC-technologie voor oppervlaktemontage draagt bij aan de grootschalige inzet van 5G-technologie.
Zowel 5G als de defensie-industrie zijn afhankelijk van geavanceerde hoogfrequente hardware. 5G-netwerken zijn geoptimaliseerd voor specifieke smalle spectrumsegmenten om de doorvoer te maximaliseren, terwijl militaire toepassingen zoals elektronische oorlogvoering (EW) een grotere operationele bandbreedte vereisen om spectrumdetectiemogelijkheden te garanderen. Ondanks deze verschillen heeft de ontwikkeling van een brede modulatiebandbreedte op het gebied van 5G geleid tot een symbiotisch voordeel op productieniveau.
De integratie van millimetergolftechnologie op deze gebieden heeft de productieschaal bereikt die nodig is voor commerciële toepassing. Bovendien vermindert deze fusie de daarmee samenhangende kosten die gepaard gaan met het vertrouwen op dure "chip and wire"-assemblageprocessen in kleine batches voor de productie van producten voor militaire toepassingen aanzienlijk.
Deze schaal is gebaseerd op sterk geïntegreerde radiofrequentie-IC's (RFID), phased array-modules en gebruiksvriendelijke testoplossingen. Tegenwoordig worden deze oplossingen steeds vaker aangeboden aan kleine ontwerpbedrijven, die in het verleden niet over het budget of de gespecialiseerde capaciteiten van grote defensieaannemers beschikten.
Deze onderlinge promotie vormt tevens een gedeelde testinfrastructuur. In het verleden waren voor het testen van phased array-antennes op 28 GHz en 39 GHz dure, grote echovrije kamers nodig. De wijdverbreide acceptatie van 5G heeft de ontwikkeling bevorderd van betaalbare kant-en-klare OTA-testoplossingen, die defensiebedrijven kunnen gebruiken om snel productontwikkelingsuitdagingen op te lossen zonder dat daarvoor aanzienlijke financiële investeringen nodig zijn. De populariteit van deze gevalideerde en direct inzetbare bouwstenen stelt ontwerpbedrijven van elke omvang in staat millimetergolf te gebruiken als een eenvoudig te beheren subsysteem, waardoor het gemakkelijker wordt om veelbelovende millimetergolftoepassingen om te zetten van schematische diagrammen naar inzetbare hardware.
Spectrum-innovatie
Decennia lang heeft de innovatie op het gebied van draadloze technologie gebruik gemaakt van twee fundamenteel verschillende methoden: het coderen van meer informatie in elke verschillende signaaltoestand (symbool), of het uitbreiden van de spectrale ruimte die wordt gebruikt voor het verzenden van informatie.
Eenvoudigere modulatieschema's geven prioriteit aan robuustheid en signaalintegriteit, terwijl complexere schema's de datadoorvoer verbeteren door meer bits per symbool te verzenden. De basismodulatiemethode gebruikt een kleine hoeveelheid informatie (zoals een enkele bit) om elk symbool weer te geven. Ontwerpers kunnen de systeemprestaties verbeteren door complexere modulatieschema's zoals QAM te gebruiken om meer informatie voor elk symbool te coderen, of door toegang te krijgen tot bredere spectrumkanalen in millimetergolfbanden met een hogere frequentie.
Modulatie bepaalt hoe gegevens op een drager worden verpakt, terwijl eindversterkers (PA's) ervoor zorgen dat databits hun beoogde bestemming bereiken. In het commerciële 5G-veld geven eindversterkers prioriteit aan efficiëntie en lineariteit binnen aangewezen frequentiebanden om phased arrays met hoge doorvoer te ondersteunen. In militaire systemen wordt echter doorgaans een groter frequentiebereik en een hoger vermogen nagestreefd om de radarhelderheid, de mogelijkheden voor satellietcommunicatie en de bruikbaarheid te verbeteren.
Zelfs met de vooruitgang van de modulatietechnologie is er nog steeds een fundamentele limiet aan de hoeveelheid gegevens die door specifieke draaggolffrequentiebanden (FC) wordt geduwd. Eén belangrijk principe is dat de gegevensdoorvoer rechtstreeks verband houdt met de kanaalbreedte, namelijk de bandbreedte van het gemoduleerde signaal (FBW). Om hogere datatransmissiesnelheden te bereiken is een breder draaggolffrequentiekanaal nodig, net zoals het overschakelen van een drukke snelweg met één rijstrook naar een snelweg met tien rijstroken (Figuur 1).