Tärkeät seikat valittaessa RF-tehoaluevahvistajia tarpeisiin

Taajuusalueen ja kaistan erityisvaatimukset RF-tehoalueen suorituskyvylle

Ka-kaistan, Q-kaistan ja mm-aallon sovellusten ymmärtäminen satelliittiviestinnässä, tutkajärjestelmissä ja elektronisessa sodankäynnissä

RF-tehoalueet on nykyään suunniteltu erityisesti tiettyjen taajuusalueiden, kuten Ka-kaistan (26,5–40 GHz), Q-kaistan (33–50 GHz) ja mm-aallon (30–300 GHz) käyttöön, koska nämä kaistat täyttävät eri tarpeita satelliittiviestinnässä, tutkajärjestelmissä ja elektronisessa sodankäynnissä. Ka-kaista tarjoaa hyvän kompromissin käytettävissä olevan kaistanleveyden ja signaalien läpäisevyyden välillä ilmakehän läpi, mikä tekee siitä suosittua korkean kapasiteetin satelliittiyhteyksissä. Mm-aaltotaajuuksien käyttö tuo kuitenkin mukanaan jotain erilaista. Korkeammat taajuudet mahdollistavat erittäin nopeat reaktioajat, joita tarvitaan 5G-verkkojen runkoverkoissa ja viimeisimmässä sotilaisten sensorijärjestelmien kehityksessä. Viimeaikainen raportti Kansainväliseltä teleliitoltä (ITU) huomauttaa, että 60 GHz:n taajuudella (jota kutsutaan V-kaistaksi) kosteassa ilmassa oleva vesihöyry voi heikentää signaalin voimakkuutta jopa 15 desibeliä kilometriä kohti. Tällainen häviö korostaa selvästi, miksi insinöörien on valittava käyttötaajuudet huolellisesti, kun kyseessä ovat järjestelmien asennukset todellisissa olosuhteissa.

Ilmakehän vaimennusvaikutukset ja niiden vaikutus RF-tehon lähtötason tarpeisiin

Sääilmiöt, kuten sadevaimennus ja hapen absorptio, haittaavat signaalin laatua erityisesti käytettäessä korkeita taajuusalueita. Otetaan esimerkiksi Ka-kaista – myrskyaikana signaalihäviö voi nousta yli 5 dB kilometriä kohti. Tämä tarkoittaa, että vahvistimien täytyy tuottaa noin 20 % enemmän tehoa ylläpitääkseen vakaita yhteyksiä. Asia muuttuu vielä hankalammaksi Q-kaistan tutkataajuuksilla, jotka ovat noin 47 GHz:n läheisyydessä, joilla ilmakehä sirottelee signaaleja niin paljon, että havaintomatka voi joskus puolittua. Rannikkoalueet tai kosteat ilmaston alueet ovat erityisen haastavia. Useimmat insinöörit varautuvat tähän lisäämällä vahvistimien kapasiteettia, tyypillisesti 30–50 %, koska tällaiset olosuhteet ovat niin yleisiä. Viimeaikaiset kokeet millimetriaaltojen käytössä tukevat tätä, osoittaen miksi huonoimpien skenaarioiden huomiointi on käytännössä järkevää.

Vahvistimen kaistanleveyden sovittaminen järjestelmän signaalien etenemisvaatimuksiin

Kaistanleveyden saaminen juuri oikeaksi tekee todellakin eron siinä, kuinka hyvin järjestelmät suoriutuvat yleisesti ottaen. Otetaan esimerkiksi Ku-kaistan satelliittilinkki, joka toimii 12–18 GHz:n välillä. Jos tarvitaan noin 500 MHz:n kaistanleveyttä, meidän on ehdottomasti oltava vahvistimia, jotka pysyvät stabiileina plusmiinus 2 %:n taajuusalueella. Muuten signaalit saattavat häiritä viereisiä kanavia. Katso nyt elektroniseen sodankäyntiin liittyviä häirintäjärjestelmiä, joissa asiat menevät vielä hankalammiksi. Näissä järjestelmissä käsitellään usein yli 2 GHz:n levyisiä kaistoja, joten ne luottavat vahvasti gallium-nitridipohjaisiin vahvistimiin, jotka ylläpitävät tasaisia vahvistusarvoja koko käyttöalueensa ajan, tyypillisesti pysyen alle puolen desibelin vaihtelussa. Insinöörit turvautuvat usein impedanssimatchausta varten käytettäviin kuormituspullausmenetelmiin. Tämä auttaa vähentämään signaalin heijastumista alle -15 dB:n tason ja saavuttamaan lähes optimaalisen tehonsiirron tehokkuustason noin 95 %, mikä on erittäin tärkeää nykyaikaisten vaiheistettujen tutkien asennuksissa.

Tehon, signaalityypin ja lineaarisuuden hallinta: huipun ja keskimääräisen tehon suhteen sekä P1dB-puristuksen hallinta

Jatkuvan aallon, AM-modulaation ja kompleksimoduloitujen signaalien huipputehon laskeminen

Jatkuva-aaltoisten (CW) ja amplitudimoduloiduilla (AM) signaalien käsittelyssä huipputeho vastaa käytännössä keskitehoa, mikä tekee siitä paljon helpompaa määrittää, kuinka suuri vahvistin me tarvitsemme. Mutta asiat vaikeutuvat, kun siirrytään edistyneempiin modulaatiomenetelmiin, kuten 64QAM tai OFDM. Näiden signaalien vuoksi teho vaihtelee paljon niiden huipputehon ja keskitehon suhteen (PAR) vuoksi. Otetaan esimerkiksi 64QAM, jonka PAR on tyypillisesti noin 3,7 dB. Toisaalta OFDM:ssa PAR voi oikeastaan ylittää jopa 12 dB:n rajan. Tämän vuoksi vahvistinten on toltava vähintään 6 dB alle niiden maksimikapasiteetin, jos halutaan välttää signaalin vääristymistä. Oikean määrän päävaraa on erittäin tärkeää säilyttää hyvä signaalin laatu kaikissa sovelluksissa, jotka vaihtelevat tutkajärjestelmistä satelliittiviestintään, ja nyt myös 5G-verkkojen laajeneminen on käynnissä.

PAR:n ja huipputehosuhteen (crest factor) rooli RF-tehovahvistimien valinnassa

PAR (huippu-keskiarvosuhde) ja huipputehokerroin, jotka mittaavat käytännössä sitä, kuinka paljon signaalin huiput poikkeavat sen keskitasosta, ovat keskeisiä tekijöitä siinä, kuinka lineaarinen ja tehokas vahvistin on. Kun kyseessä on korkeataajuuksinen signaali, useimmille vahvistimille tarvitaan noin 6–7 dB:n varavalmius maksimitehontasoa alempana vain voidakseen hallita ne väistämättömät signaalihuiput. Otetaan esimerkiksi vakio 40 wattin transistorivahvistin. Jos se käsittelee signaalia, jonka huipputehokerroin on 10 dB, se voi teknisesti ottaen tuottaa vain noin 4 wattia keskimäärin ennen kuin vääristymä vaarantaa signaalin laadun. Tällainen kompromissi ei ole oikeastaan edes valittavissa, erityisesti kun on kyseessä modernit viestintäjärjestelmät, joissa on noudatettava tiukasti taajuuskaistan sääntelyä. Ajatellaan esimerkiksi 5G-verkkoja tai elektronista sodankäyntitekniikkaa, jossa taajuudet muuttuvat jatkuvasti ja signaalien voimakkuus vaihtelee erittäin laajasti.

Vääristymisen estäminen toimimalla alle P1dB:n

Kun vahvistin saavuttaa 1 dB:n kompressiopisteen eli lyhyesti P1dB:n, silloin asiat alkavat käyttäytyä epälineaarisesti. Kun rajaa ylitetään, ongelmia alkaa esiintyä nopeasti – havaitsemme, että harmoninen vaimennus alkaa kasvaa mukana sekä ne ikävät intermodulaatiotuotteet, mikä johtaa huonompaan signaalin laatuun yleisesti ottaen. Impulssisignaaleilla toimivissa tutkajärjestelmissä insinöörit pyrkivät yleensä pitämään noin 3–5 dB alle P1dB-tason. Mutta monimutkaisempia moduloiduilla signaaleilla toimittaessa tarvitaan yleensä noin 6–10 dB lisää varaa olla varmalla puolella. Gallium-nitriden (GaN) vahvistimet ovat viime aikoina olleet hyvin suosittuja, koska ne todella saavuttavat paljon korkeammat P1dB-tasot vanhaa matkaavun putkitekniikkaa (TWT) verrattuna. Tämä tarkoittaa, että suunnittelijat voivat käyttää pienempiä lineariteettimarginaaleja heikentämättä suorituskykyä, mikä on erityisen arvokasta sovelluksissa, joissa tila, paino ja tehonkulutus ovat erityisen kriittisiä tekijöitä.

Tämä rakennettu lähestymistapa takaa optimaalisen tasapainon lähtötehon, lineaarisuuden ja tehokkuuden välillä RF-tehoalueen vahvistinten käytössä.

Tehokkuus, vahvistus ja lineaarisuus -kompromissit korkean taajuuden RF-tehoalueen vahvistinten suunnittelussa

Tehokkuuden ja lineaarisuuden tasapainottaminen modernien RF-tehoalueen vahvistinten suunnittelussa

Korkeataajuisten RF-tehoalueiden parissa työskenneltäessä insinöörien on tasapainotettava tehokkuutta ja lineaarisuusvaatimuksia. Luokan EF suunnittelut saavuttavat noin 70–83 prosentin poisto-osa-alueen tehokkuuden, kun ne kattavat laajat taajuusalueet 1,9–2,9 GHz:n alueella, ja lisäksi ne tarjoavat yli 39,5 dBm:n lähtötehon tutkimuksen mukaan, joka julkaistiin Nature-lehdessä viime vuonna. Mutta ongelma piittää järjestelmissä, jotka käyttävät OFDM- tai QAM-modulaatiomenetelmiä, koska niissä tarvitaan melko tiukkoja lineaarisuudensäätöjä pysymään sääntelyrajojen sisällä spektrisäteilyissä. Se tulee kuitenkin yleensä kustannuksena, jolloin tehokkuus laskee käytännössä noin 15–20 prosenttiyksikköä. Useimmat nykyaikaiset toteutukset sisältävät nyt sopeutuvan bias-tekniikan yhdistettynä digitaaliseen ennalta vääristymiseen tämän rajoituksen kiertämiseksi. Näillä menetelmillä voidaan ylläpitää tarvittavaa suorituskykyä eri sovelluksissa, mukaan lukien 5G-verkkojen ja satelliittiviestintäverkkojen rakentaminen, joissa signaalin eheyden säilyttäminen on kriittistä.

Voitto ja kohinakuvaaja sarjakytketyissä RF-järjestelmissä

Monivaiheisissa RF-ketjuissa kokonaisvoitto ja kohinakuvaaja vaikuttavat ratkaisevasti signaalin laatuun. Jokainen vaihe vahvistaa sekä haluttua signaalia että kohinaa edellisistä komponenteista. Koska ensimmäinen vaihe hallitsee koko järjestelmän kohinakäyttäytymisen, matalakohinaiset vahvistimet (LNA) ovat olennaisia vastaanottimien etulaitteistossa.

Vaikka tehovahvistimen (PA) voiton tulee kompensoida seuraavien vaiheiden häviöt, liiallinen voitto voi työntää seuraavat vaiheet painautumaan, mikä heikentää järjestelmän lineaarisuutta.

Ylätaajunesto ja signaalin eheyden ylläpito epälineaarisilla toiminta-alueilla

Käyttövirta, joka on lähellä kytkentäpistettä, parantaa kyllä tehokkuutta, mutta siinä on haittapuolena enemmän harmonisten väritysten syntyminen. Class-EF -suunnittelukäytäntö ottaa tämän ongelman haltuun erityisillä harmonisten väritysten hallintaverkoilla, jotka vähentävät epämiellyttäviä toisesta viidenteen kertalukuun ulottuvia harmonisia värityksiä. Nämä verkot toimivat sopivasti impedanssien mukaan, mikä vähentää epätoivottuja lähähäiriöitä noin 25–40 dBc verrattuna Class-F -ratkaisuihin. Näin ollen nämä suunnitelmat voivat saavuttaa yli 80 %:n tehokkuuden rikkoutumatta tarpeelliseen signaalin laatuun, kuten tutka- ja elektroniseen sodankäyntisovelluksiin. On silti hyvä huomata, että insinöörien tulee olla tarkkana mahdollisen intermodulaatiovirheen kanssa, kun kyseessä on useiden kantoaaltojen käyttö epälineaarisissa tilanteissa. Useat käytännön testit paljastavatkin usein ongelmat ennen kuin ne muuttuvat merkittäviksi tuotantojärjestelmiä haittaaviksi tekijöiksi.

Lämmönhallinta ja SWaP-C -optimointi RF-tehoasteiden käytössä

Jäähdytystarpeet riippuen tehohäviöstä ja käyttösyklissä

Lämpösuunnittelun onnistumisella tarkoitetaan sen sovittamista siihen, miten laitteisto todella toimii ja kuinka paljon tehoa se käyttää. Otetaan esimerkiksi jatkuvatoimiset RF-vahvistimet, joita käytetään muun muassa tutkajärjestelmissä tai suurissa 5G-solukkotukiasemissa, joita rakennetaan yleisesti nykyään. Tällaiset laitteet muuttavat tyypillisesti puolet neljästä kolmeen neljäsosaan syöttötehosta lämmöksi. Kuvitellaanpa sitten esimerkiksi nitridipohjaiset komponentit, joiden tehontiheys ylittää 3 wattia neliömillimetrillä. Tällaisella tasolla tavallinen ilmakuutus ei enää riitä. Valmistajien on siirryttävä pakkotuuletettuihin ilmajärjestelmiin tai jopa nestejäähdytykseen. Sitten on vielä kysymys äärimmäisistä olosuhteista. Satelliittien hyötykuormat kohtaavat usein lämpötiloja miinus 40 celsiusasteesta aina plus 85 asteeseen. Tällainen lämpötilavaihtelu vaikuttaa todella siihen, kuinka hyvin jäähdytyspinnat toimivat ja mitä materiaaleja insinöörien tulisi käyttää eri osiin. Materiaalien valinnassa lämpölaajeneminen muuttuu merkittäväksi seuraukseksi tällaisissa sovelluksissa.

Lämpösuunnittelun vaikutus pitkän aikavälin luotettavuuteen ja stabiilisuuteen

Heikko lämmönhallinta nopeuttaa komponenttien kulumista ajan mittaan. IET Microwaves -tiedekunnan vuoden 2022 tutkimuksissa osoitettiin, että vahvistimien käyttöikä voi lyhentyä jopa 40 %, jos lämpötila on jatkuvasti korkea. Siksi insinöörit siirtyvät käyttämään materiaaleja, kuten alumiini-piikarbidiä (AlSiC). Näillä materiaaleilla on hyvä lämpölaajenemisominaisuus, joka vastaa puolijohdepiirien laajenemista. Lämmönsiirto-ongelmien parissa työskenteleville soveltuvat parhaiten lämmönjohtavuudeltaan yli 8 W/mK olevat lämpötehoelementit. Ne tasapainottavat osien välistä lämpötilaeroa, mikä vähentää ongelmia aiheuttavia kuumia kohtia, jotka puolestaan voivat aiheuttaa intermodulaatiota etenkin monikanavaisissa järjestelmissä.

Koot, paino, teho ja kustannukset (SWaP-C) -rajoitusten huomiointi puolustus- ja kaupallisten järjestelmien suunnittelussa

Nykyään armeijan tarvitsee vahvistimia, jotka pystyvät tuottamaan yli 100 watin tehon, mutta mahtuvat tilaan, jonka tilavuus on alle puoli litraa. Tämä on noin 60 prosenttia pienempi kuin aikaisemmin käytössä olleet ratkaisut. Kaupallisiin 5G mMIMO-antenniryhmiin yritykset etsivät kustannustehokkaita vaihtoehtoja, joissa jokainen watti ei maksa enempää kuin 25 senttiä valmistukseen. Modulaariset RF-suunnitteluratkaisut puolestaan mahdollistavat järjestelmien skaalautumisen eri taajuuksille ilman, että hyötysuhde laskee alle 90 prosentin. Ilmatietoradareiden osalta siirtyminen alumiinitridipohjaisiin materiaaleihin vähentää kokonaispainoa noin 35 prosenttia verrattuna perinteisiin materiaaleihin. Tämä on erittäin tärkeää lentokoneiden toiminnassa, jossa jokainen ylimääräinen naula vaikuttaa merkittävästi tehtävän onnistumiseen.

TWT vs. Solid-State (GaN) -vahvistimet: Teknologian vertailu korkeilla taajuuksilla

Suorituskykys vertailu: Matka-aaltoputki vs. GaN:n RF-tehovahvistimet

Kun on kyse suuritehoisista mmWave-sovelluksista, matkavirtoputki (TWT) -vahvistimet pitävät edelleen pintansa, ja ne pystyvät tuottamaan noin 1 kW:n lähtötehon yli 30 GHz:n taajuuksilla ja noin puolet energiasta muuttuu tehokkaasti. Toisaalta Gallium Nitride (GaN) -kiinteäolovahvistimet ovat tehokkaita matalammissa taajuuksissa välillä 1–20 GHz, saavuttaen hyötysuhteet 60–70 %, kun taas ne vievät huomattavasti vähemmän tilaa hyllyssä. Sotilaat pitävät TWT:stä varsinkin laajakaistaisissa elektronisissa sodankäynnissä käytettävissä järjestelmissä, jotka kattavat taajuudet 2–18 GHz, mutta viime aikoina GaN-teknologia on ollut nousussa myös satelliittiviestinnässä ja 5G-takautuvissa verkoissa tarjoten lähes 40 % laajemman kaistanleveysmahdollisuuden.

Elinkaari, kaistanleveys ja hyötysuhde: tyhjiöputki vs. puolijohdeteknologiat

Useimmat TWT-vahvistimet toimivat yleensä noin 8 000–15 000 tuntia ennen kuin katodikuluminen alkaa aiheuttaa ongelmia. GaN-transistorit voivat sen sijaan helposti ylittää 100 000 tuntia, kunhan suunnittelijät saavat lämmönhallinnan oikein. Tehotiheydeltään ero on myös melko merkittävä. GaN tarjoaa noin 4 wattia millimetrillä, mikä tarkoittaa, että komponentit vievät noin 30 prosenttia vähemmän tilaa kuin perinteiset TWT:t, jotka tuottavat vain 10 wattia kuutiosenttimetrillä. On kuitenkin syytä huomata, että TWT-teknologialla on edelleen huomattava etu huipputehon tuotossa erityisesti Ka-kaistalla toimivissa tutkaratkaisuissa, jossa sen yl Superiorisuus voi olla jopa viisinkertainen. Toisin kuin perinteiset TWT:t, toinen suuri etu puolijohderatkaisuissa on niiden kyky vähentää harmonista vaimennusta noin 12 desibeliä epälineaarisissa toimintatiloissa. Tämä tekee todellisen eron useiden kanavien kirkkaan signaalin ylläpitämisessä monimutkaisissa vaiheistettujen antenniryhmien yhteyksissä.

Soveltuvuus: Radar, Satcom ja elektronisen sodankäynnin järjestelmät

Pitkän kantaman valvontaradarisovelluksissa, jotka kattavat L- ja X-kaistat sekä satelliittiviestintäjärjestelmiä, joissa tarvitaan vähintään 200 watin lähtötehoa, matkavirta-putket ovat edelleen suositeltu ratkaisu. Samaan aikaan galliuminitridivahvistimet ovat ottaneet haltuunsa suurimman osan nykyisistä elektronisista sodankäynnin alustoista. Nämä GaN-laitteet tarjoavat yhtä aikaa 2–6 gigahertsin kaistanleveyden, mikä tekee niistä erinomaisia järjestelmille, joiden täytyy siirtyä taajuuksia nopeasti. Lisäksi ne vähentävät kokoa, painoa ja energiankulutusta noin 60 prosenttia verrattuna perinteiseen teknologiaan. Viime vuonna julkaistun sotilaallisen tutkimuksen mukaan GaN-komponenteilla rakennetut häirintälaitteet saavuttavat noin 40 prosentin vähennyksen lämmön muodostumisessa verrattuna samankaltaisiin TWT-pohjaisiin järjestelmiin, vaikka molemmat ylläpitävät suunnilleen samanlaista signaalitehoa S-kaistan toiminnassa. Myös mielenkiintoisia kehitysaskelia tapahtuu, kun insinöörit yhdistävät GaN-ajajat TWT-loppuvaiheisiin Ka-kaistan ohjusohjaussovelluksissa. Tämä sekoitettu lähestymistapa vaikuttaa lupaavalta, koska siinä yhdistetään GaN:n energiansäästöt ja tietyissä suorituskyvyn vaatimuksissa tarvittavat suuret tehot.

UKK: RF-tehoalueet

Missä taajuusalueissa RF-tehoalueet toimivat eri sovelluksissa?

RF-tehoalueet toimivat taajuusalueilla kuten Ka-kaista (26,5–40 GHz), Q-kaista (33–50 GHz) ja mmWave (30–300 GHz), jotka soveltuvat satelliittiviestintään, tutkajärjestelmiin ja elektroniseen sodankäyntiin.

Miten ilmaston vaikutukset vaikuttavat RF-tehoalueiden suorituskykyyn?

Ilmaston vaikutukset, kuten sadevaimennus ja hapen absorptio, voivat vaikuttaa signaalin laatuun, jolloin tehoalueiden on annettava lisätehoa yhteyden vakauden ylläpitämiseksi, erityisesti korkeilla taajuusalueilla, kuten Ka-kaista ja Q-kaista.

Mikä on P1dB:n puristuksen merkitys RF-tehoalueissa?

P1dB-puristus on piste, jossa tehoalue alkaa käyttäytyä epälineaarisesti, mikä johtaa vääristymiseen. On tärkeää toimia alle P1dB:n, jotta vältetään puristus ja pidetään signaalin laatu hyvänä.

Miten lämmönhallinta vaikuttaa RF-tehoalueiden luotettavuuteen?

Oikea lämmönhallinta on elintärkeää RF-vahvistimien käyttöiän pidentämiseksi. Tehoton lämmön hajaantuminen voi johtaa kiihtyneeseen kulumiseen ja heikentyneeseen luotettavuuteen, mikä vaatii edistettyjä jäähdytystekniikoita, kuten nestejäähdytystä korkean tehontiheyden komponentteihin.

Miksi TWT- ja GaN-vahvistimien valinta on tärkeää?

Traveling Wave Tube (TWT) - ja Gallium Nitride (GaN) -vahvistimien valinta riippuu sovellusten tarpeista. TWT:tä suositaan korkean tehon ja laajan kaistanleveyden tarpeisiin, kun taas GaN-vahvistimet ovat tehokkaita ja säästävät tilaa matalamman taajuuden ja nopeiden sovellusten yhteydessä.