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6-2017

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Antennen Bild 3: Eine

Antennen Bild 3: Eine 4x4-Antennenanordnung mit verteilten Schaltkreisen für jedes Element und einer zentralen Recheneinheit eine PLL, einen LNA, einen PA, einen Sende-/Empfangsschalter, einige Verstärker und andere Elektronik, einschließlich Filter enthalten. Idealerweise sollten sich alle Schaltkreise für jedes Array-Element auf einem Chip befinden, um Größe und Kosten einzusparen. Die Anordnung wird dann durch das Auslegen von 16 Chips auf einem Panel zusammengesetzt, so dass kurze Verbindungen zu den anzusteuernden Elementen bestehen. Die dabei entstehende Wärme kann somit gleichmäßig verteilt werden (Bild 3). Wenn jeder Leistungsverstärker über eine Spitzenleistung von etwa 20 dBm verfügt und auf modernster Technik basiert, beträgt die Gesamtleistungsaufnahme des Panels 3 bis 4 W. Dies setzt Datenwandler mit begrenzten Bittiefen voraus, da Forschungsergebnisse zeigen, dass eine geringere Auflösung erforderlich ist, um die gleiche Signalintegrität für den Empfänger bereitzustellen, wenn ein Antennenarray anstelle einer einzigen Antenne verwendet wird. Die Datenwandler müssen jedoch weiterhin mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden, um die Signalbandbreite zu bedienen. Leistungsverstärker (PAs) machen etwa 75% der Gesamtverlustleistung beim Senden aus, da ihre Effizienz bei Millimeterwellenfrequenzen gering ist. Techniken wie Doherty-PA- Architekturen und Hüllkurvenverfolgungsschemata können die Effizienz verbessern, benötigen jedoch eine digitale Vorverzerrungsschaltung. An einem gewissen Punkt muss ein Kompromiss zwischen den Vorteilen jeder dieser Techniken und den Energiekosten erfolgen. In diesem 4x4-Array ist dies der Fall, so dass sie in diesem Beispiel nicht angewendet werden. Das fertige Design erzeugt zwischen 3 und 4 W Wärme auf einem Panel mit einer Fläche von 400 mm 2 . Um die Kosten zu senken und die Zuverlässigkeit zu erhöhen erfolgt eine passive Kühlung. Eine Aluminiumplatte mit Kühlrippen könnte zum Einsatz kommen, die eine Kühlleistung von etwa 60 W/m 2 K bietet. Bei einer angenommenen Umgebungstemperatur von 60 °C (Basisstation auf einem Dach im Sommer) und einer Temperatur von 100 °C an der Verbindung zwischen dem Antennenpanel und den Transceiver-ICs würde dieser Ansatz eine Kühlleistung von 0,25 W/cm 2 bieten – oder etwa ein Viertel dessen, was das Array zur Kühlung benötigt. Um die gesamte Wärmeleistung von 3,5 W abzuführen, wäre ein Kühlpanel mit einer Größe von etwa 1400 mm 2 erforderlich. Man könnte ein Panel mit entsprechender Größe bereitstellen, um die Elektronik zu kühlen, und über flexible Anschlüsse ein separates, kleineres Antennenarray-Panel ansteuern. Dies wäre aber bei Arrays mit Dutzenden oder Hunderten von Antennen unpraktisch. Gering besetzte Arrays als Alternative Eine Lösung könnten gering besetzte Array-Aufbauten sein, bei denen die Abstände zwischen den Antennenelementen viel größer sind als die übertragene Wellenlänge, obwohl die Anordnung weiterhin Seiten- oder Gitterkeulen unterdrücken muss, die Störungen verursachen können. Antennenarrays mit Zwischenelementabständen, die gleich oder größer als die übertragene Wellenlänge λ sind, erzeugen Gitterkeulen, wenn die Elemente in einem einheitlichen Gitter angeordnet sind. Weisen die Elemente keine gleichmäßigen Abstände auf, wie bei der „Sonnenblumenanordnung“ mit 150 Elementen (Bild 4), kann der mittlere Zwischenelementabstand größer sein, ohne Gitterkeulen zu erzeugen. Die Sonnenblumenanordnung weist eine nahezu gleichförmige Leistungsdichte auf, welche die Kühlung vereinfacht und die gesamte Antennenapertur effektiv nutzt, wenn alle Elemente auf dem gleichen Niveau angeregt werden. Diese Anordnung erzeugt auch keine Gitterkeulen und ihr Strahl ist so lenkbar, wie bei einem gleichmäßig angeordneten, dichten Array. Die sonnenblumenförmige Anordnung eignet sich damit hervorragend für passiv gekühlte 5G-Antennenarrays. Die 3-dB-Strahlbreite dieser gering besetzten Arrays ist umgekehrt proportional zu ihrer Apertur, d.h. ihr Einsatz vereinfacht die Kühlung und führt zu schmaleren Strahlen. Berechnungen unter Verwendung gängiger Annahmen zeigen, dass für einen Zugangspunkt mit einer Reichweite von 150 m der resultierende Strahl wahrscheinlich nur 5 bis 8° breit ist. Fazit Der Aufbau von 5G-Systemen verlangt eine Reihe komplexer, systembezogener Kompromisse hinsichtlich der Wärmeverteilung, Funkleistung, des Stromverbrauchs und der Signalverarbeitung. Beruhigend für Entwickler, die diese Anforderungen berücksichtigen müssen, ist die Tatsache, dass viele technische Optionen bereits ausgearbeitet wurden. Die Herausforderung besteht also darin, die richtige Kombination dieser Optionen zu finden. Bild 4: Ein ungleichförmiges Antennenarray, das dem Modell einer Sonnenblume entspricht 10 hf-praxis 6/2017

Ist es nicht an der Zeit, dass auch Ihr Design vernetzt wird? Microchip ist ein führender Anbieter von Funklösungen für Embedded-Systeme. Mit einem breiten Angebot an standardbasierten und proprietären Funktechniken sind Microchips Wireless-Lösungen so konzipiert, dass sich Prototypen schnell erstellen lassen und die Time-to-Market verkürzt wird. Unser führendes, stromsparendes Angebot deckt die Bereiche Wi-Fi®, Bluetooth®-Smart-ICs und Module, ZigBee®-Kurzstreckenfunk, das MiWi-Funknetzwerkprotokoll, Sub-GHz und die LoRa-Technik mit großer Reichweite ab. Microchip bietet die Funklösung für jede Anwendung. MiWi www.microchip.com/wireless Der Name Microchip und das Logo sind eingetragene Warenzeichen; MiWi ist eine Marke der Microchip Technology Incorporated in den USA und in anderen Ländern. Der Name LoRa und das Logo sind Marken der Semtech Corporation oder deren Tochtergesellschaften. Alle anderen Marken sind im Besitz der jeweiligen Eigentümer. © 2016 Microchip Technology Inc. Alle Rechte vorbehalten. DS70005228A. MEC2096Ger09/16

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel