Mientras que el resto del mundo está poniendo sus manos en la tecnología 5G, los investigadores están sentando las bases para 6G. Esto superará las capacidades actuales de 5G con velocidades de datos de más de 10 Gbps y latencia de 1 milisegundo. También puede conectarse a dispositivos 100 veces más que 4G LTE y ofrecer 1,000 veces más el ancho de banda junto con otras mejoras, señalado por Thales en una revisión de la tecnología 5G.
El espectro 6G y los objetivos de KPI. Imagen utilizada por cortesía de 6G Research Visions
Ahora, sabemos lo que 6G necesita para satisfacer como mínimo, pero ¿cómo vamos a hacerlo? Para responder a esta pregunta, los investigadores están buscando rangos de frecuencia y los circuitos que transmitirán y recibirán estas señales.
La banda D y 6G
Según un artículo escrito por el laboratorio de electrónica CEA-Leti, las comunicaciones a través de ondas en la banda milimétrica (mmWaves), específicamente la banda D, son los canales que viajará la tecnología 6G. La banda D es solo un conjunto específico de rangos de frecuencia para la comunicación inalámbrica. En una presentación sobre la banda D, Nokia describe estos rangos:
130-134 GHz
141–148.5 GHz
151,5–155,5 GHz
155,5–158,5 GHz
158,5–164 GHz
167-174,7 GHz
Todos estos suman hasta 31.7 GHz de frecuencia para ser utilizados para 6G, ¡eso es mucho ancho de banda! Esto se compara con los aproximadamente 13 GHz de ancho de banda que tiene 5G, según Qualcomm. Esta actualización puede permitir más conexiones por unidad de área. Mientras estas frecuencias estén abiertas, las barreras físicas tendrán un efecto en estas ondas. CEA-Leti sugiere que se necesitan antenas y circuitos de alta ganancia.
Circuito hasta el desafío de la banda D
La Universidad de Grenoble creó un diseño con una antena de tan alta ganancia. Este módulo de antena utiliza parte de la banda D, operando entre 114 GHz y 138 GHz con una ganancia máxima de 25 dBi y una ganancia mínima de 22 dBi.
El circuito apunta a una comunicación ultrarrápida de corto alcance con un multiplicador de frecuencia integrado. Este multiplicador se compone de una serie de circuitos auto-mezcladores y etapas de amplificación. Los mezcladores automáticos duplican la frecuencia de la salida con respecto a la señal de entrada. A continuación se muestra el diagrama de bloques para el circuito controlador de la antena y el circuito para una etapa de mezclador individual.
Diagrama de bloque de controlador de antena y diseño. Imagen utilizada por cortesía de Francesco Foglia Manzillo et. Alabama
Con respecto al circuito controlador de antena total, la parte etiquetada como "balun de entrada" es donde la señal diferencial entra en la primera etapa del mezclador. La parte activa del circuito (la circuitería del transistor, la parte naranja de cada bloque) para las etapas del mezclador y del amplificador son del mismo tamaño, pero los inductores y transformadores de salida (la forma verde en la imagen de diseño) están optimizados en cada etapa por las frecuencias con las que están tratando.
Entonces, vemos que los inductores y transformadores disminuyen de tamaño a medida que aumenta la frecuencia. Además, aunque la primera etapa de amplificación es un único amplificador, las etapas correspondientes son amplificadores en cascada para duplicar la ganancia por etapa. Todos estos amplificadores son etapas pseudodiferenciales de fuente común idénticas.
Los transistores NMOS optimizan la respuesta de frecuencia
Ahora, podemos ver que el esquema del mezclador implementa solo transistores NMOS. Esto se debe a que CEA-Leti informó su preocupación por la capacidad de los circuitos CMOS de responder a las altas frecuencias de la banda D. El circuito mezclador implementa dos transistores para la entrada diferencial (M5 y M6), conectados de manera desplegable a pares diferenciales de transistores NMOS (M1 y M2; M3 y M4).
Esquema de la etapa de automezcla y diseño de un transformador de acoplamiento. Imagen utilizada por cortesía de Francesco Foglia Manzillo et. Alabama
M1 y M3 están conectados a un lado del transformador de salida, mientras que el segundo está conectado a M2 y M4.
Ahora, dado que M5 y M6 están controlados por señales diferenciales, M1 y M3 conducen en semiciclos opuestos de la onda de entrada. Esto significa que para el primer medio ciclo, M1 está cerrado y M3 está abierto, y durante el segundo medio ciclo, M3 está cerrado y M1 está abierto.
Esto mismo le está sucediendo a M2 y M4. Los nodos de salida de M1 / M3 y M2 / M4 se combinan para una señal diferencial y es el doble de la frecuencia de la entrada porque las combinaciones de transistores están activadas y desactivadas en diferentes semiciclos. El mezclador luego se acopla a través del transformador a la siguiente etapa de amplificación.
Todos los transistores NMOS en este circuito (mezclador y amplificador) son transistores de bajo umbral, optimizando la respuesta de frecuencia del circuito.
¿Cómo avanzará 6G?
La banda D y los nuevos diseños de circuitos como el circuito de antena pueden ser un buen marco inicial para la tecnología 6G. Si bien tenemos una idea de dónde viajarán las señales 6G, todavía queda un largo camino por recorrer. Todavía necesitaremos usar esta banda para una comunicación de mayor alcance y considerar el desafío de la integración a gran escala.
La herramienta de trazado de rayos de SIRADEL ha ayudado a CEA-Leti a desarrollar una antena orientable electrónicamente para evitar objetos exteriores que bloqueen el rendimiento inalámbrico de THz. Imagen utilizada por cortesía de CEA-Leti
La banda D tiene el espacio y la capacidad de superar 5G en un tiro largo, y los nuevos diseños de circuitos de transistores permitirán ganancias tan altas para la transmisión y recepción de la antena, lo que nos permitirá comunicarnos a través de altas frecuencias.
Por ahora, 5G está en el escenario principal, pero detrás de las cortinas, 6G podría no estar tan lejos como pensamos.