Основни съображания при избора на усилватели за радиочестотна мощност според нуждите

Диапазон на честотите и специфични изисквания за производителност на усилватели за СВЧ мощност

Разбиране на Ka-диапазона, Q-диапазона и приложенията mmWave в Satcom, радари и EW системи

Днес усилвателите на СВЧ мощ са проектирани специално за определени честотни диапазони като Ka-лента (26,5 до 40 GHz), Q-лента (33 до 50 GHz) и mmWave (30 до 300 GHz), защото тези ленти обслужват различни нужди в спътниковите комуникации, радарни системи и оборудване за електронна борба. Ka-лентата намира добро средно положение между наличната честотна лента и начина, по който сигналите проникват през атмосферата, което я прави много популярна за висококапацитетните спътникови връзки. Придвижването към mmWave честотите обаче предлага нещо различно. Тези по-високи честоти позволяват невероятно бързи времена на отклик, необходими за основните мрежи на 5G и предовите военни сенсорни масиви. Нов доклад от Международния съюз за телекомуникации посочва, че при 60 GHz (т.нар. V-лента), водните изпарения във влажния въздух могат всъщност да намалят силата на сигнала с около 15 децибела на километър. Такъв загуба ясно показва защо инженерите трябва да избират оперативните честоти много внимателно при настройка на тези системи в реални условия.

Атмосферни ефекти върху затихването и тяхното влияние върху изискванията за изходна RF мощност

Метеорологични ефекти като намаляване на сигнала при дъжд и абсорбция от кислород сериозно влияят на качеството на сигнала при използване на високочестотни диапазони. Вземете например Ka-бандата – по време на бури загубите на сигнала могат да надвишат 5 dB на километър. Това означава, че усилвателите трябва да осигурят около 20% повече мощност само за да се поддържа стабилна връзка. Положението става още по-сложно при радарни честоти в Q-бандата около 47 GHz, където атмосферата разсейва сигнала толкова много, че понякога намалява обхвата на детекция с почти половина. Прибрежните райони или местата с висока влажност са особено предизвикателни. Повечето инженери проектират допълнителен капацитет на усилвателите, обикновено между 30 и 50%, защото тези условия са толкова чести. Наскорошни тестове с приложения в милиметровия диапазон потвърждават това и показват защо планирането за най-лоши възможни сценарии е разумно в практиката.

Съгласуване на лентовата ширина на усилвателя с изискванията за разпространение на системния сигнал

Намирането на точно подходящата честотна лента наистина прави разликата, когато става въпрос за общото представяне на системите. Вземете например връзка със спътник в Ku-лентата, работеща в диапазона от 12 до 18 GHz. Ако се изисква лента от около 500 MHz, абсолютно задължително е да разполагаме с усилватели, които остават стабилни в рамките на плюс-минус 2% честотен диапазон. В противен случай сигналите може да пречат на съседните канали. Сега да разгледаме системите за радиоелектронна борба, където нещата стават още по-сложни. Тези конфигурации често работят с честотни ленти, по-широки от 2 GHz, така че разчитат изключително много на усилватели, изработени от нитрид на галия, които поддържат постоянно усилване през целия си работен диапазон, обикновено в рамките на половин децибел отклонение. Инженерите често използват методи за настройка чрез натоварване, за да уточнят параметрите на импедансното съгласуване. Това помага за намаляване на отражението на сигнала под нивото от -15 dB и ни доближава до идеалната точка от около 95% ефективност при предаването на енергия, което е от голямо значение за модерните радари с фазирани антени.

Изходна мощност, тип сигнал и линейност: управление на отношението пикова към средна мощност и компресия на P1dB

Изчисляване на изискванията за пикова мощност за непрекъснати вълни (CW), амплитудна модулация (AM) и сложни модулирани сигнали

Когато се работи с непрекъснати вълни (CW) и амплитудно модулирани (AM) сигнали, върховата мощност в основа съвпада със средното ниво на мощността, което прави по-лесно определянето на размера на усилвателя, от който се нуждаем. Но нещата се усложняват, когато се използват по-усъвършенствани схеми на модулация като 64QAM или OFDM. Тези сигнали предизвикват различни колебания на мощността поради съотношението върхова към средна мощност (PAR). Вземете например 64QAM – обичайно PAR е около 3,7 dB. При OFDM PAR може дори да надхвърли 12 dB. Поради това усилвателите трябва да работят поне с 6 dB под максималния си капацитет, ако искаме да избегнем всякакви изкривявания на сигнала. Изборът на правилното ниво на резерв (headroom) е абсолютно критичен за поддържането на добро качество на сигнала във всичко – от радарни системи до спътникови комуникации, а сега и с разгръщането на 5G мрежите.

Ролята на PAR и коефициента на пик в избора на ВЧ усилватели

ПАС (пиков-среден коефициент) и коефициентът на пик, който по същество измерва колко много сигналът достига пикови стойности в сравнение със средното ниво, играят основна роля при определянето на това колко линеен и ефективен ще бъде усилвателят. Когато се работи с високочестотни сигнали, повечето усилватели имат нужда от около 6 до 7 dB запас под максималната си изходна способност, просто за да може да се справят с тези неизбежни върхове на сигнала. Вземете например стандартен 40-ватов транзисторен усилвател. Ако той обработва сигнал с коефициент на пик от 10 dB, то технически казано, той може да изведе само около 4 вата средно, преди да се появи риск от изкривяване вследствие на компресионни ефекти. Този вид компромис не е по избор, особено когато се работи с модерни комуникационни системи, които изискват стриктно спазване на регламентите за спектър. Помислете за 5G мрежи или оборудване за електронна борба, където честотите постоянно се променят, а сигналите се променят драстично по интензивност.

Избягване на компресия и изкривяване чрез работа под P1dB

Когато усилвател достигне точката си на компресия с 1 dB или P1dB за кратко, това е моментът, когато нещата започват да стават нелинейни. Ако се премине този праг, възникват бързо проблеми – наблюдава се нарастваща хармонична изкривяване, придружено от нежелани продукти на интермодулация, което в крайна сметка води до влошаване на качеството на сигнала. За радарни системи, работещи с импулсни сигнали, инженерите обикновено се стремят да останат около 3 до 5 dB под нивото на P1dB. Но когато се работи с по-сложни модулирани сигнали, често е необходим около 6 до 10 dB допълнителен запас, просто за да се осигури безопасност. Усилвателите от нитрид на галия (GaN) са станали доста популярни напоследък, защото всъщност постигат много по-високи нива на P1dB в сравнение с по-старата технология на лампове с бягаща вълна (TWT). Това означава, че проектиращите инженери могат да работят с по-тесни граници на линейност, без да жертват производителността, което е наистина ценно в приложения, където пространството, теглото и консумацията на енергия са от решаващо значение.

Този структуриран подход осигурява оптимален баланс между изходната мощност, линейността и ефективността при използването на усилватели на ВЧ мощност.

Компромиси между ефективност, усилване и линейност в проектирането на високочестотни усилватели на ВЧ мощност

Балансиране на ефективността и линейността в съвременните усилватели на ВЧ мощност

При работата с усилватели на ВЧ мощност, инженерите трябва да балансират ефективността спрямо изискванията за линейност. Дизайните от клас EF постигат около 70 до 83 процента ефективност при източника, като обхващат тези широки честотни диапазони от 1.9 до 2.9 GHz, освен това те осигуряват изходна мощност над 39.5 dBm според проучвания, публикувани в списание Nature миналата година. Но има и недостатък за системите, използващи модулационни схеми OFDM или QAM, тъй като те изискват доста строг контрол на линейността, за да останат в границите на регулаторните изисквания за излъчване в спектъра. Това обикновено води до загуби, понижавайки ефективността с около 15 до 20 процентни пункта на практика. Повечето съвременни реализации сега включват адаптивни методи за поляризиране, комбинирани с цифрови методи за предизкривяване, за да се преодолее това ограничение. Тези подходи помагат да се поддържа необходимото ниво на представяне в различни приложения, включително разгръщането на инфраструктурата на 5G и спътниковите комуникационни мрежи, където интегритетът на сигнала остава критичен.

Печалба и фигура на шума в каскадни СВ системи

В многостепенни СВ вериги, кумулативната печалба и фигурата на шума критично влияят на интегритета на сигнала. Всяка степен усилва както желания сигнал, така и шума от предишни компоненти. Тъй като първата степен доминира общото представяне на шума, усилватели с нисък шум (LNA) са от съществено значение в предни краища на приемниците.

Докато печалбата на PA трябва да компенсира загубите надолу по веригата, прекомерната печалба носи риска следните стъпала да навлязат в режим на компресия, което влошава линейността на системата.

Подтискане на хармониците и интегритет на сигнала в нелинейни оперативни области

Работата на усилвателите на ток близо до точката на насищане наистина повишава ефективността, въпреки че това води до генериране на повече хармоници. Концепцията на дизайн Class-EF се справя с този проблем чрез специални мрежи за контрол на хармониците, които намаляват досадните хармоници от втори до пети ред. Тези мрежи работят чрез точно съгласуване на импедансите, което редуцира нежеланите емисии с около 25 до 40 dBc в сравнение с тези при конфигурации Class-F. В резултат на това такива проекти могат да постигнат над 80% ефективност, без да накърнят качеството на сигнала, необходимо за радарни и електронни бойни приложения. Важно е все пак да се отбележи, че инженерите трябва да следят за евентуални проблеми с интермодулационни изкривявания, когато работят с множество носители в нелинейни оперативни сценарии. Няколко практически теста често разкриват тези проблеми, преди те да се превърнат в сериозни затруднения в производствени системи.

Термичен контрол и оптимизация по SWaP-C при разгръщане на ВЧ усилватели за мощност

Изисквания за охлаждане въз основа на разсейването на мощност и цикъла на работа

Правилният топлинен дизайн означава да съответства на начина, по който оборудването действително работи и какъв тип мощност изразходва. Вземете например усилватели за радиочестоти (RF), използвани непрекъснато в неща като радарни системи или онези големи 5G клетъчни кули, които се строят навсякъде напоследък. Тези устройства обикновено превръщат около половината до три четвърти от входната си мощност директно в топлина. Сега си представете нещо като компоненти, базирани на GaN, където плътността на мощността достига над 3 вата на квадратен милиметър. На такива нива обикновеното въздушно охлаждане вече няма да е достатъчно. Производителите трябва да преминат към принудително въздушни системи или дори решения с течностно охлаждане. Има и цялостния проблем с екстремните среди. Сателитните полезни товари често срещат температури, вариращи от минус 40 градуса по Целзий до плюс 85. Такъв температурен диапазон наистина влияе на ефективността на радиаторите и материалите, които инженерите трябва да изберат за различни компоненти. Топлинното разширване става основен фактор при избора на материали за такива приложения.

Влияние на топлинния дизайн върху дългосрочната надеждност и стабилност

Лошото топлинно управление наистина ускорява износването на компонентите с течение на времето. Някои проучвания на IET Microwaves от 2022 г. показаха, че усилвателите могат да имат около 40% по-малък живот, когато са изложени на постоянно високи температури. Затова инженерите се обръщат към материали като алуминиев силициев карбид (AlSiC). Тези материали работят добре, защото се разширяват със същия темп като полупроводниковите кристали при загрятост. За тези, които се занимават с проблеми на топлопреминаването, топлопроводните материали с проводимост над 8 W/m K правят голяма разлика. Те помагат за изравняване на температурните разлики между компонентите, което намалява нежеланите горещи точки, водещи до проблеми като интермодулационни изкривявания, особено в системи, които обработват множество сигнали едновременно.

Преодоляване на ограниченията по размер, тегло, захранване и цена (SWaP-C) в отбранителни и търговски системи

В днешни дни военните нужди изискват усилватели, които могат да развиват повече от 100 вата, но да се побират в обем по-малък от половин литър. Това е приблизително 60 процента по-малко в сравнение с използваното доскоро. За комерсиални 5G mMIMO антени, компаниите търсят достъпни опции, при които всеки ват да не струва повече от 25 цента за производство. Модулните RF проекти позволяват на инженерите да мащабират системите си за различни честоти, като в същото време поддържат ефективност на мощнността над 90 процента. Когато става въпрос за бордови радари, използването на подложки от алуминиев нитрид намалява общото тегло с около 35 процента в сравнение с традиционните материали. Това е от голямо значение за авиационни операции, където всяка допълнителна унция влияе върху успешността на мисията.

ЛБВ срещу транзисторни (GaN) усилватели: сравнение на технологии за високочестотни приложения

Сравнение на параметри: ЛБВ срещу GaN ВЧ усилватели за радиочестотна мощност

Когато става въпрос за приложения с висока мощност в диапазона на милиметровите вълни, усилватели с бягаща вълна (TWT) все още се конкурират успешно, като могат да произведат около 1 kW изход над 30 GHz, с около половина от енергията, преобразувана ефективно. От друга страна, транзисторните усилватели с арсенид на галий (GaN) се представят добре при работа с по-ниски честоти между 1 и 20 GHz, постигайки ефективност от 60 до 70%, като заемат значително по-малко място. Армията предпочита TWT за широколентовите системи в електронната война, обхващащи диапазона от 2 до 18 GHz, но в последно време технологията GaN набира скорост в спътниковите комуникации и мрежите за транспорт 5G, предлагайки почти с 40% по-широки възможности за честотен обхват в момента.

Продължителност на живот, честотен обхват и ефективност: Вакуумни лампи срещу полупроводникови технологии

Повечето усилватели с лампови вълноводи (TWT) обикновено работят около 8 000 до може би дори 15 000 часа, преди износването на катода да стане проблем. В същото време, GaN компонентите лесно могат да надминат 100 000 часа, когато проектирането осигури правилно топлинно управление. Разликата в плътността на мощността също е доста значителна. GaN осигурява около 4 вата на милиметър, което означава, че компонентите заемат приблизително с 30 процента по-малко пространство в сравнение с традиционните TWT усилватели, които постигат само около 10 вата на кубичен сантиметър. Въпреки това, все още е важно да се отбележи, че технологията TWT запазва значително предимство по отношение на пиковата мощност при приложения в радари в Ka-диапазона, като поддържа превъзходство от около пет пъти в това отношение. Друг голям плюс за полупроводниковите решения е тяхната способност да намалят хармоничните изкривявания с приблизително 12 децибела в нелинейни режими на работа. Това прави реална разлика за поддържането на чисти сигнали в множество канали в тези сложни фазирани антени.

Приложна пригодност: Радар, Сатком и Системи за електронна борба

За приложения на радари за наблюдение на далечни разстояния, които обхващат L до X честотни диапазони, както и за системи за спътникова комуникация, изискващи минимум 200 вата изходна мощност, ламповите усилватели с бягаща вълна остават предпочитаното решение. В същото време усилвателите с галиев нитрид са поели по-голямата част от платформите за електронна борба в наши дни. Тези GaN устройства осигуряват между 2 и 6 гигахерца честотна лента наведнъж, което ги прави отличен избор за системи, които трябва бързо да преминават между честоти. Освен това те намаляват размерите, теглото и потреблението на енергия с около 60 процента в сравнение с традиционните технологии. Според нови военни изследвания от миналата година, оборудването за радио-притеснения, изградено с GaN компоненти, всъщност намалява натрупването на топлина с около 40 процента в сравнение с аналогични системи, използващи лампови усилватели с бягаща вълна, въпреки че и двете поддържат приблизително еднакво ниво на сила на сигнала по време на операции в S-диапазона. Също така се случват интересни разработки, където инженери комбинират GaN драйвери с крайни етапи от лампови усилватели с бягаща вълна за приложения в Ka-диапазона за насочване на ракети. Този смесен подход изглежда обещаващ, защото съчетава икономията на енергия на GaN с необходимата суровата мощност за определени високи изисквания.

ЧЗВ: RF усилватели за мощност

В какви честотни диапазони работят RF усилвателите за мощност при различни приложения?

RF усилвателите за мощност работят в честотни диапазони като Ka-лента (26,5 до 40 GHz), Q-лента (33 до 50 GHz) и mmWave (30 до 300 GHz), което отговаря на нуждите на спътниковите комуникации, радарни системи и приложения в електронната война.

Как атмосферните условия влияят на представянето на RF усилвателите за мощност?

Атмосферни условия като намаление на сигнала при дъжд и абсорбция от кислород могат да повлияят на качеството на сигнала, което изисква усилвателите да осигуряват допълнителна мощност, за да се поддържа стабилност на връзката, особено в високочестотните диапазони като Ka-лента и Q-лента.

Какво е значението на P1dB компресия в RF усилвателите?

P1dB компресията е точката, при която усилвател започва да проявява нелинейно поведение, което води до изкривяване. Важно е да се работи под P1dB, за да се избегне компресията и да се поддържа добро качество на сигнала.

Как термичният режим влияе на надеждността на RF усилвателите?

Правилното термично управление е от съществено значение за удължаване на живота на ВЧ усилватели. Неефективното отвеждане на топлина може да доведе до ускорено износване и намалена надеждност, което изисква използването на напреднали техники за охлаждане, като например течно охлаждане за компоненти с висока плътност на мощността.

Защо изборът между ТВЛ и GaN усилватели е важен?

Изборът между усилватели с бягаща вълна (TWT) и усилватели от нитрид на галий (GaN) зависи от приложните изисквания. TWT се предпочитат при приложения с висока мощност и широк честотен обхват, докато GaN усилвателите се отличават с висока ефективност и икономия на пространство при приложения с по-ниски честоти и бърза реакция.