Anteriormente, se lograban velocidades de transmisión de datos inalámbricas más altas mediante esquemas de modulación cada vez más complejos, que encapsulaban más datos de bits en el mismo segmento de espectro. Actualmente, esta solución ha alcanzado su límite de aplicación práctica, por lo que en el futuro, ya sea que esté diseñada para aplicaciones comerciales de rendimiento 5G o enlaces militares de alta capacidad, dependerá de un ancho de banda más amplio en lugar de una modulación más densa. Esta transformación tecnológica ha obligado a los diseñadores a recurrir al espectro de ondas milimétricas (mmWave), que puede lograr varias funciones nuevas a través de abundantes recursos espectrales, pero también plantea una serie de desafíos de diseño completamente diferentes.
El sistema de comunicación 5G se beneficia de años de trabajo de investigación realizado inicialmente por empresas de defensa. Por ejemplo, la tecnología de antenas en fase originada en el campo de la defensa nacional puede lograr escaneo de haz y seguimiento sincrónico de múltiples objetivos, y ahora se adopta ampliamente en aplicaciones 5G para transmitir simultáneamente múltiples flujos de datos a múltiples usuarios. Los sistemas comerciales funcionan cada vez más en bandas de frecuencia como 28 GHz y 39 GHz para obtener el ancho de banda necesario para enlaces multigigabit.
Analog Devices, Inc. y otras empresas utilizan su experiencia acumulada en ondas milimétricas en aplicaciones de la industria de defensa para proporcionar componentes estándar que cumplan con los requisitos de rendimiento de defensa y las necesidades de fabricación de infraestructura comercial. La tecnología avanzada de montaje en superficie de circuitos integrados de alta frecuencia contribuye al despliegue a gran escala de la tecnología 5G.
Tanto el 5G como la industria de defensa dependen de hardware avanzado de alta frecuencia. Las redes 5G están optimizadas para segmentos de espectro estrechos específicos para maximizar el rendimiento, mientras que las aplicaciones militares como la guerra electrónica (EW) requieren un ancho de banda operativo más amplio para garantizar las capacidades de detección del espectro. A pesar de estas diferencias, el desarrollo de un amplio ancho de banda de modulación en el campo 5G ha estimulado un beneficio simbiótico a nivel de fabricación.
La integración de la tecnología de ondas milimétricas en estos campos ha logrado la escala de fabricación necesaria para el despliegue comercial. Además, esta fusión reduce en gran medida los costos relacionados de depender de costosos procesos de ensamblaje de "chips y cables" en lotes pequeños para producir productos de aplicaciones militares.
Esta báscula se basa en circuitos integrados de radiofrecuencia (RFID) altamente integrados, módulos de matriz en fase y soluciones de prueba fáciles de usar. Hoy en día, estas soluciones se ofrecen cada vez más a pequeñas empresas de diseño, que en el pasado carecían del presupuesto o de las capacidades especializadas de los grandes contratistas de defensa.
Esta promoción mutua también forma una infraestructura de prueba compartida. En el pasado, las pruebas de antenas en fase a 28 GHz y 39 GHz requerían cámaras anecoicas grandes y costosas. La adopción generalizada de 5G ha promovido el desarrollo de soluciones de prueba OTA asequibles y listas para usar, que las empresas de defensa pueden utilizar para resolver rápidamente los desafíos de desarrollo de productos sin requerir una inversión financiera significativa. La popularidad de estos bloques de construcción validados y directamente implementables permite a las empresas de diseño de todos los tamaños utilizar ondas milimétricas como un subsistema fácil de administrar, lo que facilita la transformación de aplicaciones prometedoras de ondas milimétricas de diagramas esquemáticos a hardware implementable.
Innovación del espectro
Durante décadas, la innovación en tecnología inalámbrica ha empleado dos métodos fundamentalmente diferentes: codificar más información en cada estado de señal (símbolo) diferente o expandir el espacio espectral utilizado para transmitir información.
Los esquemas de modulación más simples priorizan la robustez y la integridad de la señal, mientras que los esquemas más complejos mejoran el rendimiento de los datos al transmitir más bits por símbolo. El método de modulación básico utiliza una pequeña cantidad de información (como un solo bit) para representar cada símbolo. Los diseñadores pueden mejorar el rendimiento del sistema utilizando esquemas de modulación más complejos, como QAM, para codificar más información para cada símbolo, o accediendo a canales de espectro más amplio en bandas de ondas milimétricas de mayor frecuencia.
La modulación determina cómo se empaquetan los datos en un portador, mientras que los amplificadores de potencia (PA) garantizan que los bits de datos lleguen a su destino previsto. En el campo comercial 5G, los amplificadores de potencia priorizan la eficiencia y la linealidad dentro de las bandas de frecuencia designadas para admitir matrices en fase de alto rendimiento. Sin embargo, en los sistemas militares, generalmente se busca un rango de frecuencia más amplio y una mayor potencia para mejorar la claridad del radar, las capacidades de comunicación por satélite y la usabilidad.
Incluso con el avance de la tecnología de modulación, todavía existe un límite fundamental a la cantidad de datos enviados a través de bandas de frecuencia portadora (FC) específicas. Un principio clave es que el rendimiento de datos está directamente relacionado con el ancho del canal, que es el ancho de banda de la señal modulada (FBW). Para lograr velocidades de transmisión de datos más altas, se requiere un canal de frecuencia portadora más amplio, tal como cambiar de una concurrida autopista de un solo carril a una autopista de diez carriles (Figura 1).