Il beamforming olografico è una tecnica innovativa che promette di rivoluzionare la costruzione delle antenne direttive che saranno necessarie per realizzare a costi ragionevoli reti cellulari 5G estremamente efficienti, soprattutto alle frequenze delle onde millimetriche.

Vediamo come funzionano con l’aiuto di chi le ha inventate e ha contribuito alla loro prima realizzazione pratica commerciale.

Piccolo ripasso sul beamforming. Si tratta di una tecnica che permette di orientare elettronicamente il fascio di irradiazione di un’antenna senza doverla spostare o modificare fisicamente.

Il principio del beamforming è ben noto da decenni ed è stato utilizzato con grande successo in moltissime applicazioni, dai sistemi radar alle reti cellulari e Wi-Fi.

Si può fare in vari modi, di cui il più diffuso è probabilmente quello noto come ‘phased array’. In sostanza, l’antenna complessiva è composta da una schiera (array) di antenne elementari.

Il segnale d’ingresso dapprima suddiviso in tanti segnali a radiofrequenza quante sono le antenne elementari che compongono la schiera. A ciascuno di essi viene applicato un fattore di sfasamento e di amplificazione/attenuazione diversa.

Controllando opportunamente i fattori di sfasamento e amplificazione applicati a ciascuno dei segnali che arrivano agli elementi che compongono la schiera, si può cambiare in tempo reale la forma e direzione del fascio irradiato complessivamente dall’antenna. Lo stesso meccanismo funziona anche in ricezione nella direzione inversa.

La multiplazione a divisione di spazio (SDMA)

Veniamo alle reti cellulari 5G. La corsa all’aumento della capacità è in pieno svolgimento e sono tante le tecnologie concorrenti che si stanno valutando per raggiungere gli obiettivi in termini di prestazioni, costo e flessibilità desiderate dagli operatori (e che gli utenti si aspettano).

Un meccanismo fondamentale per aumentare la capacità della rete è di aggiungere una nuova dimensione (grado di libertà) nella metodologia di allocazione delle risorse radioelettriche.

Oggi si utilizzano fondamentalmente tempo e frequenza per separare le comunicazioni simultanee tra gli utenti collegati a una stessa cella, mentre la dimensione spazio viene usata solo per separare le comunicazioni tra utenti collegati a celle diverse (e non adiacenti).

L’idea di fondo per aumentare la capacità usando come nuova dimensione lo spazio è di utilizzare trasmissioni molto più direttive.

Anziché raggiungere da una stazione base una moltitudine di utenti che si trovano nell’area di copertura di una cella, o di per settore di una cella, si punta a raggiungere con un singolo fascio trasmissivo direzionale, o addirittura un singolo utente, il quale avrà così a disposizione tutta la banda possibile senza doverla condividere con altri.

Estremizzando, si potrà arrivare a costruire reti con un solo utente per cella.

Lo scenario possiamo immaginarlo analogo a quello del palcoscenico di un teatro. Anziché usare una luce diffusa per illuminare l’intera scena, si utilizza un faro ‘spot’ concentrato per illuminare il protagonista, seguendolo nei suoi spostamenti. Se vi è un coprotagonista in scena, un altro faro spot potrà illuminarlo senza interferire con l’altro, garantendo sempre una visibilità ottimale.

Ci sono diversi modi per raggiungere gli utenti di una rete con un più fasci spazialmente indipendenti. Uno di questi è la ricetrasmissione parallela con tecniche MIMO (Multiple Input Multiple Output), già comunemente usata nelle sue forme relativamente più semplici nelle reti Wi-Fi e nelle reti cellulari LTE.

Per le reti 5G si sta valutando di aumentare notevolmente il parallelismo, tanto che un acronimo molto utilizzato è Massive MIMO, per identificare che ad una singola cella fanno capo numerosi flussi spaziali di ricetrasmissione tra loro indipendenti.

Tuttavia, nelle applicazioni pratiche la tecnica MIMO o Massive MIMO, che prevede un complesso sistema di elaborazione del segnale in banda base e la successiva presenza di numerose catene di trattamento del segnale a radiofrequenza per realizzare il beamforming, si scontra con una richiesta di potenza decisamente elevata, che potrebbe essere non compatibile con i vincoli di consumo dei terminali mobili.

Un’antenna intelligente a basso costo e basso consumo

Una soluzione alternativa al Massive MIMO per realizzare il beamforming è quella basata sulla tecnica olografica. Si tratta di una novità che promette di cambiare le carte in tavola in termini di costi, consumo energetico, dimensione fisiche e peso delle antenne intelligenti adattative.

Le antenne per il beamforming olografico sono una struttura sostanzialmente passiva, ma il cui diagramma di irradiazione può essere controllato elettronicamente. Sono passive nel senso che non hanno a bordo alcun elemento attivo di amplificazione, né alcun circuito sfasatore del segnale entrante.

Possono essere realizzate tramite un circuito stampato multistrato di varie forme, tipicamente quadrate e rettangolari, che permettono di variare la direttività dell’antenna sia in azimut che in elevazione.

La modalità di funzionamento ricorda quella di un ologramma, in cui l’interferenza tra un’onda di riferimento e un’onda oggetto permette di ottenere il risultato desiderato.

Un’antenna olografica ha una singola porta di ingresso RF posta al centro della sua faccia posteriore, dal quale il segnale si propaga lungo una rete di distribuzione (linee gialle nella figura) realizzata negli strati interni del circuito stampato. L’onda che si propaga viene chiamata ‘onda di riferimento’ e la si vuole trasformare nell’onda emessa dall’antenna nella direzione desiderata (onda oggetto).

Adiacenti alla rete di distribuzione vi sono una miriade di elementi irradianti, ciascuno dei quali può interagire con la rete di distribuzione sottostante. Le caratteristiche di accoppiamento tra la rete di distribuzione e il singolo elemento radiante possono essere variate tramite un diodo varactor posto in corrispondenza di ciascun elemento e montato sul retro del circuito stampato insieme al resto dell’elettronica di controllo.

Variando opportunamente la tensione di polarizzazione dei diodi si modifica l’impedenza vista dalla forma d’onda di riferimento in corrispondenza di ciascun elemento radiante. Il pattern delle impedenze così ottenute costituisce l’ologramma (pattern colorato nelle figure) che permette di variare il diagramma di irradiazione.

Lo straordinario vantaggio di questa architettura è la sua estrema semplicità, sia in termini costruttivi, sia in termini di consumo energetico, che risulta irrisorio rispetto a quello di una tipica soluzione basata su tecniche MIMO.

Per realizzare questa tipologia di antenna a controllo elettronico si utilizzano materiali e componenti commerciali a basso costo, sostanzialmente circuiti stampati e una miriade di diodi varactor, oltre a un circuito integrato di pilotaggio relativamente semplice per comandare i diodi, che agiscono da commutatori di impedenza.

La struttura del circuito stampato che costituisce l’antenna, quindi, si comporta da ‘metamateriale’, le cui caratteristiche elettriche interne possono essere variate in tempo reale tramite controllo elettronico.

Applicazioni 5G pronte al via

Secondo Brian Deutsch, CEO di Pivotal Commware, l’azienda che ha sviluppato le applicazioni pratiche del beamforming olografico, “le regole del gioco sono cambiate rispetto al beamforming tradizionale. Le nostre antenne intelligenti costano così poco che hanno permesso di realizzare reti 5G a onde millimetriche con una pianificazione di tipo completamente diverso rispetto a quanto ipotizzato inizialmente, molto più efficiente e meno costosa, aprendo la strada a nuove tipologie di applicazioni.

Ad esempio, la nostra soluzione Echo 5G Subscriber, basata sulle antenne olografiche, verrà utilizzata da un operatore americano per il lancio dei suoi primi servizi commerciali 5G a onde millimetriche, superando brillantemente l’ostacolo costituito dai vetri delle finestre, che altrimenti agiscono da specchio quasi perfetto e non permettono ai segnali di propagarsi agevolmente all’interno di un appartamento. E siamo solo all’inizio della rivoluzione resa possibile dalla tecnologia del beamformin olografico.”

Diodi, diodi e ancora diodi

Può essere sorprendente scoprire come il componente elettronico più importante di una così rivoluzionaria antenna attiva sia un diodo. Certo non uno solo e non uno qualsiasi.

Il diodo varactor utilizzato per il beamforming olografico serve a modificare l’impedenza di ciascuno degli elementi irradianti, che in un’antenna olografica sono diverse centinaia.

Il diodo deve avere caratteristiche adatte a lavorare alla frequenze delle onde millimetriche, dove le prestazioni richieste richiedono l’adozione di processi produttivi avanzati ed estremamente controllati.

La scelta di Pivotal Commware è ricaduta sulle tecnologie dei semiconduttori in GaAs e AlGaAs di MACOM, azienda che ha una lunghissima esperienza nel settore della radiofrequenza, con la quale ha sottoscritto un accordo di collaborazione strategica per la fornitura di componenti non solo tecnologicamente avanzati, ma anche realizzabili con i volumi e i costi richiesti da un mercato di massa come quello della telefonia cellulare.