Topologies innovantes de chaîne d’émission aux fréquences 28 et 40 GHz pour des applications 5G de beamforming numérique : solutions à base de RF-DAC et de déphaseur en technologie silicium

Abstract

L’augmentation du débit à échanger sur les réseaux sans fil a amené à étendre le spectre de communication sur la bande de fréquence de 24 GHz à 40 GHz avec l’arrivée de la 5G. Souffrant d’une couverture de faible portée à ces fréquences, la technique de recombinaison de faisceaux (beamforming) est employée dans les systèmes de communications. Cette technique basée sur l’utilisation de plusieurs antennes d’émission et de réception, permet d’augmenter la puissance envoyée dans une direction en contrôlant la phase des signaux sur chaque antenne. Parmi les différentes topologies de beamforming, l’une d’entre elles devient de plus en plus attractive : le beamforming numérique. Dans ce type de système, les signaux envoyés sur chaque antenne sont indépendants et sont contrôlés numériquement. Cela permet d’utiliser les techniques MIMO (multiple-input multiple-output) déjà utilisées dans la génération précédente (4G) et d’exploiter au maximum le réseau d’antennes. Le beamforming numérique permet alors d’augmenter grandement l’efficacité spectrale du réseau en améliorant le rapport signal/bruit et en ouvrant l’accès au multiplexage spatial, permettant de partager les mêmes ressources temps/fréquences à des utilisateurs séparés dans l’espace. L’objectif est de profiter des techniques MIMO sur de grands réseaux d’antennes (plus de 100 antennes) par rapport à ce qui se faisait en 4G (jusqu’à 8 antennes). Le défi est alors de réaliser un système de beamforming numérique fiable et flexible, tout en garantissant une bonne efficacité énergétique. Pour cela, une solution à base de RF-DAC est proposée pour réduire la consommation énergétique des chaînes d’émission. Cette solution se base sur le partage du même courant pour les différents blocs d’une chaîne d’émission : convertisseur numérique-analogique, mélangeur et amplificateur. L’objectif de ce circuit est de convertir un signal numérique directement en signal radiofréquence. Les différents concepts sont validés par l’implémentation et la mesure du circuit en technologie silicium. Seulement, pour garantir les meilleures performances possibles pour un système de beamforming numérique, il est nécessaire de pouvoir corriger les erreurs d’amplitude et de phase sur le réseau d’antennes. Deux architectures basées sur l’utilisations d’amplificateurs à gain variable (VGA) et de coupleur hybride 90° sont étudiées et comparées : le modulateur vectoriel et le déphaseur de type réflectif (RTPS) couplé à un VGA 180°. La conception de ces circuits aux fréquences millimétriques implique une plus grande sensibilité des composants aux différents éléments parasites. Le layout est alors un point clé de la conception pour assurer le bon fonctionnement des circuits à ces fréquences. Les deux architectures sont implémentées et mesurées permettant de valider leur fonctionnement et de mettre en évidence leurs forces et leurs faiblesses dans un contexte de correction d’amplitude et de phase, dans un système de beamforming numérique.