通過整合天線和電子設備的設計，研究人員提高了新型毫米波發射器的能量和頻譜效率，從而改善了調制并減少了廢熱的產生。結果可能是毫米波無線通信設備中的通話時間更長和數據速率更高，以用于未來的5G應用。

新的協同設計技術允許同時優化毫米波天線和電子設備。混合設備使用傳統材料和集成電路(IC)技術，這意味著制造和封裝它們不需要改變。該協同設計方案允許在同一IC芯片或相同封裝上制造多個發射器和接收器，可能實現多輸入多輸出(MIMO)系統以及提高數據速率和鏈路分集。

“在這個例子中，我們的電子設備和天線的設計使它們可以協同工作，實現獨特的天線異相有源負載調制能力，從而顯著提高整個發射機的效率，”助理王華說。佐治亞理工學院電氣與計算機工程學院教授。“該系統可以取代無線移動設備，基站和數據中心基礎設施鏈路中的許多類型的發射機。”

無論設備是以峰值還是平均輸出功率運行，新設計的關鍵是保持高能效。大多數傳統發射器的效率僅在峰值功率時高，但在低功率水平下基本上下降，導致在放大復雜的頻譜有效調制時效率低。此外，傳統的發射器通常使用有損功率組合器電路來添加來自多個電子器件的輸出，從而加劇了效率降低。

“我們通過雙饋環形天線將輸出功率結合起來，通過我們在天線和電子設備方面的創新，我們可以大大提高能效，”王，德米特里斯T.巴黎教授說道。電氣與計算機工程學院。“這種特殊設計的創新之處在于將天線和電子設備融合在一起，實現所謂的異相操作，動態調制和優化功率晶體管的輸出電壓和電流，從而使毫米波發射器保持高效率。峰值和平均功率。“

除了能效之外，協同設計還通過允許更復雜的調制協議來促進頻譜效率。這將使得能夠在固定頻譜分配內傳輸更高的數據速率，這對5G系統構成了重大挑戰。

“在相同的信道帶寬內，建議的發射機可以傳輸6到10倍的數據速率，”王說。“集成天線為我們提供了更多的探索設計創新的自由度，這是以前無法做到的。”

佐治亞理工學院研究生助理Sensen Li在2018年RFIC研討會上獲得了最佳學生論文獎，他表示，這項創新是將傳統上分開工作的兩個學科匯集在一起的。

“我們正在合并電子和天線技術，將這兩個學科結合在一起，突破極限，”他說。“通過獨立開展這些改進無法實現這些改進。通過利用這種新的協同設計理念，我們可以進一步提高未來無線發射機的性能。”

Wang說，這些新設計已經在45納米CMOS SOI IC器件中實現，并在高頻層壓板上進行倒裝芯片封裝，測試證明能效最低可提高兩倍。

通過探索多饋天線的獨特性質，可以實現天線電子協同設計。

“具有多個饋源的天線結構允許我們使用多個電子設備同時驅動天線。與傳統的單饋天線不同，多饋天線不僅可以用作輻射元件，而且還可以用作接口的信號處理單元在多個電子電路中，“王解釋道。“這開辟了一個全新的設計范例，讓不同的電子電路以不同但優化的信號條件共同驅動天線，實現前所未有的能效，頻譜效率和可重構性。”

跨學科協同設計還可以促進同一芯片上多個發射器和接收器的制造和操作，允許數百甚至數千個元件作為整個系統一起工作。“在大規模MIMO系統中，我們需要擁有大量的發射器和接收器，因此能效將變得更加重要，”Wang指出。

他指出，在毫米波頻率下，大量元件一起工作變得更加實用，因為波長減少裝置元件可以更緊密地放在一起以實現緊湊的系統。這些因素可為未來毫米波5G系統中必不可少的新型波束成形鋪平道路。

電力需求可能會推動電池供電設備技術的采用，但Wang表示，該技術對基站或無線連接等電網供電系統也很有用，可替代大型數據中心的電纜。在這些應用中，擴展數據速率和降低冷卻需求可以使新設備具有吸引力。

“更高的能源效率也意味著更少的能源將轉化為熱量，必須將其去除以滿足熱管理，”他說。“在大型數據中心，即使每個設備的熱負荷小幅下降也可以增加。我們希望簡化這些電子設備的散熱要求。”

除了已經提到的那些，研究團隊還包括喬治亞理工學院的Taiyun Chi，Huy Thong Nguyen和Tzu-Yuan Huang。