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Publicação
Energy-efficient Transmitter Designs for 6G Involving Multiple Antenna Systems
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 9.68 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Transmitter architectures which can more efficiently amplify high-Peak-to-Average
Power Ratio (PAPR) signals need to be developed, since the Radio Access Network
(RAN) represents the vast majority of modern cellular network energy consumption.
This stems from the use of modulations such as Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing (OFDM) for Spectral Efficiency (SE) optimization. Energy costs are a major
factor for operators, and cellular network energy demands are only predicted to
increase, due to the increasing data-rate and better connectivity goals. The Radio
Frequency (RF) Power Amplifier (PA) is the limiting block in transmitter efficiency,
followed by the power combiner, which prioritizes their optimization. The QDA with
Combination Over-the-Air (QDA-CoA) architecture was deemed as the most promising
starting point, using parallel class E PAs, which are highly efficiency, and simultaneously
removing the circuit-based power combiners, avoiding their insertion losses. With the
goal of further enhancing it, the QDA-Power Combination OTA (PCOA) architecture was
established, which considers a Rectangular Array (RA) with beamforming, allocating an
Uniform Planar Array (UPA) subarray to transmit each component, after being
individually amplified by class E PAs. Theoretical frameworks were developed to
describe the input signal processing, the class E PAs and the RA, were shown to offer
strong starting points for the simulation-based sizings, and led to key architecture-level
optimizations. However, a distortion issue in the PCOA architecture was also
uncovered. In simulation, the RA was sized considering rectangular Microstrip Patch
Antennas (MPAs), achieving radiation efficiencies as high as 81.83% for a 3.5 GHz
carrier frequency. Mutual coupling was shown to have a significant impact on the array
impedances and S-parameters. High-level simulation results show that PCOA is
performed as intended, however, there is distortion due to the varying array gain, not
allowing QDA-PCOA results to be obtained. An UPA subarray prototype was also
elaborated, based on more detailed, layer-by-layer models, serving as an example for
the complete array design methodology.
Existe a necessidade de desenvolver arquitecturas de transmissor que consigam amplificar sinais com um PAPR elevado de forma mais eficiente, dado que a RAN representa a grande maioria do consumo energético em redes celulares modernas. Isto é causado pelo uso de modulações como OFDM, para otimização da eficiência espetral. Os custos energéticos são um fator importante para os operadores, e prevê- se que os requisitos energéticos associados às redes móveis aumentem, devido aos objetivos de incremento dos ritmos de dados e melhor conectividade. O RF PA é o bloco que limita a eficiência do transmissor, seguido do combinador em potência, prioritizando as suas otimizações. A arquitectura QDA-CoA foi vista como o ponto de partida mais promissor, pelo uso de PAs paralelos em classe E, que são altamente eficientes, e simultâneamente por remover os combinadores em potência a nível do circuito, evitando as suas perdas por inserção. Com o objetivo de a aprimorar, a arquitectura QDA-PCOA foi definida, que considera um RA com beamforming, e aloca um subagregado UPA para transmitir cada componente, após serem individualmente amplificadas por PAs em class E. Descrições teóricas foram formuladas para o processamento de sinal aplicado ao sinal de entrada, os PAs em classe E e o RA, foi visto que oferecem um ponto de partida forte para os dimensionamentos por simulação, e levaram a otimizações chave, a nível da arquitectura. Contudo, um problema de distorção na arquitectura PCOA foi também evidenciado. Em simulação, o RA foi dimensionado considerando MPAs rectangulares, atingindo eficiências de radiação até 81.83%, para uma frequência de portadora de 3.5 GHz. Foi visto que o acoplamento mútuo apresenta um impacto significativo a nível da impedâncias dos agregados e dos seus parâmetros S. Simulações a alto nível mostraram que o PCOA acontece como esperado, contudo, existe distorção devido ao ganho variável do agregado, impedindo resultados QDA-PCOA de serem obtidos. Um protótipo do subagregado UPA foi também desenvolvido, com base num modelo camada-a-camada mais detalhado, sevindo como exemplo para a metodologia completa de projeto de agregados.
Existe a necessidade de desenvolver arquitecturas de transmissor que consigam amplificar sinais com um PAPR elevado de forma mais eficiente, dado que a RAN representa a grande maioria do consumo energético em redes celulares modernas. Isto é causado pelo uso de modulações como OFDM, para otimização da eficiência espetral. Os custos energéticos são um fator importante para os operadores, e prevê- se que os requisitos energéticos associados às redes móveis aumentem, devido aos objetivos de incremento dos ritmos de dados e melhor conectividade. O RF PA é o bloco que limita a eficiência do transmissor, seguido do combinador em potência, prioritizando as suas otimizações. A arquitectura QDA-CoA foi vista como o ponto de partida mais promissor, pelo uso de PAs paralelos em classe E, que são altamente eficientes, e simultâneamente por remover os combinadores em potência a nível do circuito, evitando as suas perdas por inserção. Com o objetivo de a aprimorar, a arquitectura QDA-PCOA foi definida, que considera um RA com beamforming, e aloca um subagregado UPA para transmitir cada componente, após serem individualmente amplificadas por PAs em class E. Descrições teóricas foram formuladas para o processamento de sinal aplicado ao sinal de entrada, os PAs em classe E e o RA, foi visto que oferecem um ponto de partida forte para os dimensionamentos por simulação, e levaram a otimizações chave, a nível da arquitectura. Contudo, um problema de distorção na arquitectura PCOA foi também evidenciado. Em simulação, o RA foi dimensionado considerando MPAs rectangulares, atingindo eficiências de radiação até 81.83%, para uma frequência de portadora de 3.5 GHz. Foi visto que o acoplamento mútuo apresenta um impacto significativo a nível da impedâncias dos agregados e dos seus parâmetros S. Simulações a alto nível mostraram que o PCOA acontece como esperado, contudo, existe distorção devido ao ganho variável do agregado, impedindo resultados QDA-PCOA de serem obtidos. Um protótipo do subagregado UPA foi também desenvolvido, com base num modelo camada-a-camada mais detalhado, sevindo como exemplo para a metodologia completa de projeto de agregados.
Descrição
Palavras-chave
Antenna arrays beamforming efficiency mutual coupling PA parallel amplification