Microchip Technology Inc.
Avtor: Baljit Chandhoke, produktni vodja za RF izdelke pri Microchip Technology
RF-sistemi potrebujejo močnostne ojačevalnike (PA), ki zagotavljajo linearno in učinkovito visoko izhodno moč.
Ker sistemi prehajajo na modulacijske sheme višjega reda, kot je 64/128/256 kvadraturna amplitudna modulacija (QAM), morajo zagotavljati visoko linearnost in učinkovitost tudi v gostejših okoljih s strogim razmerjem med vršnjo in povprečno močjo (PAPR). Nova generacija monolitnih mikrovalovnih integriranih vezij (MMIC), ki ima za osnovo galijev nitrid (GaN) na silicijevem karbidu (SiC), ponuja rešitev za te izzive z največjo gostoto moči za ustvarjanje visoke linearne izhodne moči z visokim izkoristkom. Ta članek obravnava 5G zahteve, satelitske komunikacije, vesoljske in obrambne aplikacije, vključno z različnimi vrstami arhitekture oblikovanja snopa in kako GaN na SiC močnostni ojačevalniki rešujejo komunikacijske izzive v teh RF aplikacijah.
Priložnosti in izzivi RF močnostnih ojačevalnikov
Največje priložnosti za rast in izzive za močnostne RF ojačevalnike so v satelitskih komunikacijah in nastajajočih komunikacijskih 5G rešitvah. NASA je podjetjem iz zasebnega sektorja omogočila izstrelitev več tisoč satelitov v nizki zemeljski orbiti (LEO), ki zdaj krožijo okoli Zemlje in zagotavljajo širokopasovni dostop do interneta, navigacijo, pomorski nadzor, daljinsko zaznavanje in druge storitve. Pri teh RF aplikacijah se nenehno iščejo prednosti glede velikosti, teže, moči in stroškov (SWaP-C). Velike antene s krožniki se nadomeščajo s polji faziranih anten za satelitsko komunikacijo, ki zahtevajo manjše komponente za integracijo in manjšo težo. Za te RF aplikacije je bistvena visoka RF moč, ki je linearna z visokima P1dB in IP3, da se zmanjša popačenje, in učinkovita z visokim PAE, da se zmanjša poraba energije.
Millimeterske 5G komunikacije
Nove generacije milimetrskih 5G komunikacijskih rešitev zaradi svoje hitrosti, izjemno široke pasovne širine in nizke latence za širokopasovno komunikacijo, bistveno povečujejo količino informacij, ki se lahko izmenjujejo v podporo odločanju v realnem času in drugim vojaškim aplikacijam. 5G sistemi, ki delujejo v nižjih frekvenčnih pasovih (pod 6 GHz), so bili ranljivi za močne motilne signale, vendar 5G milimetrski valovi (24 GHz in višje) za aplikacije na bojišču in izven njega prinašajo 5G omrežje, ki ni tako ranljivo za močne motilne signale. Primeri vključujejo senzorska omrežja na bojišču za zbiranje podatkov za poveljevanje in nadzor ter zaslone z obogateno resničnostjo, ki izboljšujejo situacijsko zavedanje pilotov in pehotnih vojakov. 5G bo omogočil tudi rešitve virtualne resničnosti za upravljanje vozil na daljavo v zračnih, kopenskih in pomorskih misijah. Zunaj bojišča bo 5G omogočil različne aplikacije za pametna skladišča, telemedicino in prevoz vojakov.
5G milimetrski frekvenčni pasovi
Različne države imajo različne pasove za 5G milimetrske valove. V Združenih državah Amerike je bil prvi uporabljen pas 28 GHz 5G, ki mu sledi 39 GHz. Kitajska uvaja 5G milimetrski pas v frekvenčnem pasu od 24,25-27,5 GHz in zaostaja pri uvajanju 5G milimetrskih valov.
Arhitektura 5G omrežja
5G omrežje sestavljajo makro bazne postaje in majhne celične postaje. Makro bazna postaja je s hrbteničnim omrežjem povezana z milimetrskimi valovi ali optičnimi povezavami. Makro bazne postaje se lahko pogovarjajo neposredno z mobilnimi telefoni uporabniške opreme ali z malimi celičnimi postajami, ki se pogovarjajo z mobilno napravo uporabniške opreme in zagotavljajo povezljivost do zadnjega kilometra. Obstajajo pico in femto celične postaje, ki zagotavljajo omrežno povezljivost znotraj pisarniških stavb, kjer je povezava lahko šibka ali kjer je gostota uporabnikov velika.
Femtocelične postaje običajno namestijo uporabniki, da izboljšajo območje pokritosti v majhni okolici, na primer v domači pisarni ali mrtvi coni v stavbi. Femtocelične postaje so zasnovane tako, da podpirajo le peščico uporabnikov in lahko opravijo le nekaj hkratnih klicev – imajo zelo majhno izhodno moč do 0,2 W.
Pikocelične postaje ponujajo večje zmogljivosti in območja pokritosti, saj podpirajo do 100 uporabnikov na razdalji do 300 metrov. Pikocelične postaje se pogosto nameščajo v zaprtih prostorih za izboljšanje slabe brezžične in celične pokritosti v stavbi, na primer v pisarniškem nadstropju ali v maloprodajnem prostoru. Pikocelične postaje se lahko namestijo začasno v pričakovanju velikega prometa na omejenem območju, na primer na športnem dogodku, lahko pa se namestijo tudi kot stalna sestavina mobilnih celičnih omrežij v heterogenem omrežju, ki deluje v povezavi z makroceličnimi postajami, da se zagotovi neprekinjena pokritost za končne uporabnike. Pikocelične postaje imajo izhodno moč do 2 W.
Makro bazne postaje so velike bazne postaje, ki pokrivajo veliko območje > km in imajo izhodno moč > 100 W.
Uporaba v radarjih
Radarski sistemi delujejo v pasu L od 1 GHz do 2 GHz in se uporabljajo za prepoznavanje prijatelja ali sovražnika, merjenje razdalje ter sledenje in nadzor. Pas S (od 2 GHz do 4 GHz) se uporablja za aplikacije s selektivnim odzivom Mode S in za vremenske radarske sisteme. Pas X (8 GHz do 12 GHz) se uporablja za vremenske in letalske radarje, pas C (4 GHz do 8 GHz) pa se uporablja za 5G in druge komunikacijske aplikacije pod 7 GHz. 5G milimetrski valovi zagotavljajo največje pasovne širine in hitrosti prenosa podatkov, saj deluje v frekvenčnih pasovih 24 GHz in višjih. Satelitske komunikacije za LEO in geosinhrone komunikacije delujejo v pasu K, ki se razteza od 12 GHz do 40 GHz.
Oblikovanje RF snopa
V teh radijskih aplikacijah se uporabljajo različne vrste arhitekture oblikovanja snopa s faziranimi polji:
- 1> Analogno oblikovanje snopa
- 2> Digitalno oblikovanje snopa
- 3> Hibridno oblikovanje snopa
Analogno oblikovanje snopa
Za vsako fazirano polje anten je idealna razdalja med elementi polovica valovne dolžine (lambda/2).
Blok diagram prikazuje analogno oblikovanje snopa. Za 30 GHz signal je razdalja med faziranimi elementi 5 mm. Pri analognem oblikovanju snopa fazni pretvornik oblikuje snop tako, da spreminja fazo, s čemer izvede konstruktivno interferenco za sprejemanje in oddajanje signala z usmerjanjem energije snopa v določeno smer. Vse to se izvaja pri RF frekvenci, zato je najbolj občutljiva na izgube v medsebojnih povezavah. Nato gre signal iz faznega pretvornika v močnostni sklopnik/razdelilnik, sledi pretvornik navzgor/navzdol in ADC/DAC do osnovnega frekvenčnega pasu. V tem primeru je za N elementov fazniranega polja samo en digitalni prednji del. Kot je razvidno iz blok diagrama, je za 4 elemente faziranega polja samo en digitalni prednji del, ki ga sestavlja ADC/DAC. Prednost te arhitekture je najmanjše število sestavnih delov in najnižja razpršena moč. Ker pa se fazni premik izvaja v radiofrekvenčnih pasovih, je ta vrsta arhitekture oblikovanja snopa najbolj občutljiva na izgube pri povezovanju in zapletenost faznega premika.
Digitalno oblikovanje snopa
Digitalno oblikovanje snopa ima tradicionalno pretvorbo navzgor/navzdol na frekvenco osnovnega frekvenčnega pasu, nato pa se izvede digitalni fazni premik. Ta arhitektura zagotavlja večjo natančnost, saj se v osnovnem pasu izvede digitalno oblikovanje snopa. Vendar je potreben ADC/DAC za vsak element fazne matrike, kar pomeni veliko število komponent in veliko razpršitev energije. V tem primeru je za N elementov fazirane mreže N digitalnih vhodnih enot. Kot je razvidno iz bloka diagrama, so za 4 elemente fazirane mreže 4 digitalne vhodne enote, ki jih sestavljajo ADC/DAC-ji.
Hibridno oblikovanje snopa
Hibridno oblikovanje snopa, ki združuje digitalno in analogno oblikovanje snopa, je optimalno za večja fazirana polja, da se doseže učinkovitost analognega oblikovanja snopa z manjšim številom elementov, razpršitvijo energije in natančnostjo digitalnega oblikovanja snopa. Kot je razvidno iz blok sheme, sta za 4 elemente faziranega polja na voljo 2 digitalni vhodni enoti, ki sta sestavljeni iz ADC/DAC. V primerjavi z analognim oblikovanjem snopa je bil samo ena ADC/DAC v digitalni vhodni enoti, pri digitalnem oblikovanju snopa pa 4 ADC/DAC v digitalni vhodni enoti.
RF signalna veriga
Na sliki je prikazan blok diagram RF verige signalov. V sprejemniku RF signal prihaja prek antene, gre skozi omejevalno diodo, nato sledi stikalo, želena RF frekvenca pa se izloči s pomočjo SAW filtrov. Želeni signal se nato ojači z nizkošumnim ojačevalnikom z izjemno nizko stopnjo šuma, da se čim bolj zmanjša poslabšanje razmerja med signalom in šumom sprejetega signala. Nato se signal transformira navzdol z mešalnikom. Signal lokalnega oscilatorja (LO) se generira z uporabo diskretnih PLL komponent, ki jih sestavljajo fazni detektor, preskaler za zagotavljanje frekvence LO mešalniku za pretvorbo signala navzdol na medfrekvenco (IF), ki ji sledi pretvorba iz IF v osnovni pas za obdelavo signala.
Na oddajniku se signal osnovnega pasu pretvori v IF in nato v želen RF signal. RF signal se ojači z močnostnim ojačevalnikom.
RF lastnosti
Tabela prikazuje RF lastnosti in prednosti za komponente, uporabljene v RF blok diagramu.
Zahteve močnostnega ojačevalnika
Močnostni ojačevalniki 1 imajo ključno vlogo pri oddajniku v radijskih aplikacijah. Ena od najpomembnejših zahtev za močnostne ojačevalnike je, da lahko delujejo v svojem linearnem območju, da se čim bolj zmanjša RF popačenje. Satelitski komunikacijski sistemi, ki uporabljajo modulacijske sheme višjega reda, kot je 64/128/256 kvadraturna amplitudna modulacija (QAM), so izredno občutljivi na nelinearno delovanje. Drug izziv je doseganje zadovoljivega razmerja med največjo in povprečno močjo (PAPR) – to je razmerje med največjo močjo, ki jo proizvede PA, in njegovo povprečno močjo. PAPR določa, koliko podatkov je mogoče poslati, in je sorazmeren s povprečno močjo. Hkrati je velikost PA, ki je potrebna za določen format, odvisna od največje moči. Zahteve za efektivno izotropno sevano moč (EIRP) milimetrskih valov v 5G območju, ki jo je predpisala FCC, vključujejo oddajno moč 43 dBm EIRP za mobilne telefone in prenosno moč bazne postaje 55 dBm EIRP. Tem in drugim nasprotujočim si izzivom je mogoče zadostiti le z močnostnimi ojačevalniki GaN na SiC za satelitske komunikacije, 5G, vesoljske in obrambne aplikacije.
Močnostni ojačevalniki, ki bazirajo na galij nitridu (GaN) na silicijevem karbidu (SiC):
GaN na SiC ima največjo gostoto moči za gradnjo zelo linearnih močnostnih ojačevalnikov z visokim izkoristkom. Močnostni ojačevalniki GaN na SiC lahko delujejo pri visokih frekvencah v Ka in Ku pasu od 12 GHz do 40 GHz za satelitske komunikacije, 5G in imajo široko pasovno širino, visoko ojačenje in boljše toplotne lastnosti, kar izpolnjuje zahteve radijskih aplikacij. Microchip ponuja RF rešitve s tehnologijo GaN na SiC, ki izpolnjujejo zahteve SWaP-C za komponente. ICP2840 je vodilna naprava, ki deluje v frekvenčnem območju 27,5-31 GHz in zagotavlja izhodno moč neprekinjenega oddajanja (CW) 9 W in impulzno izhodno moč 10 W z ojačitvijo 22 dB in učinkovitostjo dodane moči 22 %.
Microchip močnostni ojačevalniki za K Band področje
ICP2840 [2] zagotavlja 9 W izhodne moči neprekinjenega oddajanja v frekvenčnem pasu Ka od 27,5 do 31 GHz za uplink za satelitsko komunikacijo in 28 GHz frekvenčni pas 5G.
ICP2637 [3] ima široko pasovno širino od 23 do 30 GHz in zagotavlja 5 W CW izhodne moči ter je na voljo v QFN ohišju in v obliki rezine.
ICP1445 [4] zagotavlja 35 vatov impulzne izhodne moči v frekvenčnem pasu 13-15,5 GHz.
ICP1543 [5] deluje v Ku pasu od 12 do 18 GHz in zagotavlja 20 vatov CW izhodne moči.
Ti ojačevalniki imajo visoko ojačenje in dodaten izkoristek zaradi uporabe GaN na SiC tehnologije ter izpolnjujejo zahteve v pasu Ku/Ka za aplikacije 5G, satelitske komunikacije, vesoljske in obrambne aplikacije. GaN na SiC s svojo največjo gostoto moči zagotavlja optimalne rešitve močnostnih ojačevalnikov za te aplikacije.
Viri:
https://www.microchip.com/en-us/products/rf-and-microwave/power-amplifiers
https://www.microchip.com/en-us/product/ICP2840-Power-Amplifier
https://www.microchip.com/en-us/product/ICP2637-Power-Amplifier
https://www.microchip.com/en-us/product/ICP1445-Power-Amplifier
https://www.microchip.com/en-us/product/ICP1543-Power-Amplifier
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
