Tärkeät seikat valittaessa RF-tehoaluevahvistajia tarpeisiin

Taajuusalue ja kaistanleveys: RF-tehoalueiden mukauttaminen signaaliin

Kuinka taajuusalue määrittää vahvistimen yhteensopivuuden

RF-tehoalueet toimivat parhaiten, kun ne pysyvät tietyllä taajuusalueella, yleensä noin 1 MHz:stä aina 6 GHz:in kaupallisissa järjestelmissä. Viime vuonna julkaistut tutkimukset osoittivat mielenkiintoista asiaa: noin 6 kertaa 10:ssä tapauksessa langattoman teknologian signaaleissa esiintyvät ongelmat johtuvat siitä, kuinka hyvin vahvistin vastaa tarvittavia taajuuksia, erityisesti juuri taajuuskaistan reunoilla. Otetaan esimerkiksi 5G NR -järjestelmät. Näissä järjestelmissä tarvitaan kattavuutta noin 3,4–3,8 GHz:n välillä, joten vahvistimen on pystyttävä käsittelemään koko taajuusalue vähällä heilahtelulla lähtötehossa (mahdollisimman vähän +/- 0,5 dB ero koko taajuusalueella). Muuten järjestelmän suorituskyky ei ole tarpeeksi luotettavaa käytännön käyttöön.

Kaistanleveyden ja signaalin laadun välinen suhde

Käytettävissä olevan kaistanleveyden määrä vaikuttaa todella siihen, kuinka hyvin signaalin modulaatio säilyy ehjänä siirron aikana. Kun vahvistimet jäävät alle 120 MHz rajan, ne aiheuttavat noin 30 % enemmän virhevektorimagnitudiongelmia käsiteltäessä monimutkaisia 256-QAM signaaleja. Tämä tekee suuren eron verrattuna siihen, mitä saavutetaan 400 MHz leveämpiin suunnitteluun. Tärkeyttä korostuu erityisesti OFDM-järjestelmissä, kuten uudessa Wi-Fi 6E standardissa. Näissä järjestelmissä vaaditaan usein yli 160 MHz kaistanleveyttä missä tahansa hetkessä estämään symbolien keskinäinen häiriö ilman siitä, että vaikutetaan verkon nopeaan tietonsiirtonopeuteen.

Tapausraportti: Leveäkaistaiset vahvistimet monistandardisissa kantapisteissä

Vuonna 2023 tehdyt kenttätestit 4G- ja 5G-tukiasemilla paljastivat jotain mielenkiintoista laajakaistaisista RF-tehoalueista. Kun nämä laitteet käsittivät taajuudet 1,7–4,2 GHz, ne säästivät itse asiassa noin 18 prosenttia tehonkulutuksesta verrattuna useisiin erillisiin kapeakaistaisiin komponentteihin. Entistäkin tärkeämpää oli niiden suorituskyky. Vahvistimet pitivät jännitteen seisovan aallon suhteen alle 2,5:1 sekä 2,3 GHz:n LTE-kaistalla 40 että 3,5 GHz:n 5G-n78-kaistalla. Tämä suorituskyky tekee niistä erittäin hyödyllisiä operaattorien yhdistelyyn ja vähentää laitteiden asennuksessa aiheutuvaa vaivaa eri viestintästandardeja varten.

Strategia: Taajuuden ja kaistanleveyden yhdistäminen modulaation ja kanavien tarpeisiin

1. Taajuuskattavuus : Valitse vahvistimet, joilla on vähintään 15 % marginaali vaadittua korkeamman taajuuden yläpuolella
2. Kaistanleveysjako : Käytä kaavaa käytetty kaistanleveys = kanavaväli × (1 + roll-off-kerroin) määrittääksesi vähimmäiskaistanleveysvaatimukset
3. Modulaatioherkkyys : Suosittele suodattimia, joiden TOI (kolmannen asteen saturaatio) on >35 dBm 64-QAM- ja korkeampien modulaatioiden yhteydessä

Järjestelmäarkkitehtien tulisi varmistaa, että vahvistimet täyttävät spektrin maskivaatimukset, erityisesti ACLR:n osalta lisensoituina taajuuksina, jotta vältetään häiriöt ja sääntelyongelmat.

Lähtöteho ja lineaarisuus: Suorituskyvyn ja signaalin eheyden tasapainottaminen

1 dB:n kompressiopisteen ja vahvistimen varavalmiuksien ymmärtäminen

1 dB:n kompressiopiste, jota kutsutaan myös nimellä P1dB, ilmaisee käytännössä sen hetken, jolloin RF-vahvistimen lineaarinen suorituskyky alkaa heiketä ja vahvistus laskee tasan 1 dB:n sen sijaan, että olisi normaalisti. Kun ylätämme tämän kynnyksen, signaali alkaa vääristyä, mikä on syy siihen, että insinöörit pyrkivät yleensä varmistamaan noin 3–6 dB:n lisävaran radarsysteemeissä, jotta voidaan käsitellä ajoittain esiintyviä odottamattomia tehonpiikkejä. Tämä on erityisen tärkeää signaaleilla, joilla on korkea huippu-arvon ja keskiarvon suhde, kuten OFDM-tekniikassa. Näillä signaaleilla on luontevasti suuria huippuja, jotka voivat helposti työntää vahvistimet kompressioalueelle, ellei ole olemassa asianmukaista hallintaa estämässä tällaista signaalin heikkenemistä.

Lineaarisuuden vaikutus kompleksisiin modulaatiomenetelmiin

Kun epälineaarinen vahvistus tapahtuu, se häiritsee EVM-mittauksia erityisesti nykyisillä korkeamman asteen modulaatiomenetelmillä, kuten 256-QAM ja jopa 1024-QAM nykyaikaisissa 5G-verkoissa ja Wi-Fi 6E-toteutuksissa. Ongelma pahenee, kun intermodulaatiotuotteet sekoittuvat harmoniseen vaimennukseen, mikä voi nostaa bittivirhesuhdetta jopa 40 %:iin standardissa 64-QAM-järjestelmissä. Onneksi markkinoilla on nyt melko älykkäitä ratkaisuja. Digitaaliset ennakkovääristymistekniikat yhdistettynä eteenpäin korjaaviin menetelmiin ovat osoittautuneet tehokkaiksi EVM-tasojen hallinnassa, yleensä pitäen ne alle 3 %:n kynnyksen. Samat lähestymistavat tarjoavat myös ACLR-suorituskykyä yli 40 dBc, mikä on valmistajien kannalta tärkeää, jotta signaalit pysyvät siistinä ja luotettavina eri käyttöolosuhteissa.

Tapauskoe: Tehonsaturaation hallinta radar- ja 5G-järjestelmissä

Kenttäkokeissa, jotka tehtiin alkuvuonna 2023 sotilastukikohdassa, tutkijat huomasivat, että heidän käyttämänsä vaiheittaisen säteittäisradarin tuotti kohdetta simuloidut kuvaukset, kun siihen kohdistettiin 10 kilowatin tehonimpulsseja. Ongelmana oli lähinnä vahvistimen kyllästymiseen liittyvä signaalin vääristymä. Useiden viikkojen viatilastuksen jälkeen insinöörit lopulta korjasivat ongelman dynaamisten bias-säätöjen ja reaaliaikaisten kuormatarkkailutekniikoiden yhdistetyn käytön avulla, mikä vähensi epätoivottuja signaaleja noin 18 desibelin verran. Kaupallisten sovellusten näkökulmasta samankaltaisissa ongelmissa myös tietoliiketoimittajat huomasivat parannuksia. Yksi suuri operaattori raportoi parantuneet suorituskykymittarit 5G-millimetriaaltotukiasemissaan sen jälkeen, kun ne oli päivitetty gallium-nitridipohjaisiin vahvistimiin. Näillä uusilla komponenteilla saavutettiin 30 prosenttia lisää tilaa lineaariselle käydylle toiminta-alueelle, jolloin viereisen kanavan vuotoasteen (ACLR) mittaustulokset paranivat huonosta -38 dBc-tasosta selvästi parempaan -45 dBc-tasoon. Tämänlainen parannus on erittäin merkittävää siinä, että taajuuskaistan käyttö voidaan pitää siistinä tiheissä taajuusalueissa.

Strategia: huipputehon laskeminen CW-, AM- ja usean kantoaaltoon perustuville signaaleille

Nämä laskelmat ohjaavat päästövaran valintaa. Insinöörit varmistavat linjaisuuden kahden taajuuden testillä lämpötilan (-40°C – +85°C) ja jännitteen (±15 %) vaihteluiden yli. Monikanavaiselle LTE:lle varmistetaan, että TOI >50 dBm pitää harmonisen väristön alle vastaanottimen herkkyyden rajojen.

Tehokkuus ja lämmönhallinta: Tehonkulutuksen ja lämmön hajaantumisen optimointi

Tehokkuuden, linjaisuuden ja tehonkulutuksen välillä tehtävät kompromissit

RF-tehoalueiden suunnittelussa on löydettävä optimaalinen tasapaino tehopuukeruun (PAE), lineaarisuuden ja lämmöntuotannon välillä. Otetaan esimerkiksi luokan D vahvistimet. Ne saavuttavat noin 85 %:n PAE:n 2,4 GHz:n taajuuksilla, mikä kuulostaa hyvältä paperilla. Mutta nykytilanteessa useiden kantoaaltojen käytössä on haittapuolet. Viime vuonna julkaistun tutkimuksen mukaan niiden harmoninen vääristymä ylittää -40 dBc:n tason. Luokan AB mallit puolestaan pitävät vääristymän hallittuna paremmin kuin -65 dBc:n tasolla. Kuitenkin niiden hyötysuhde laskee vain 45–55 %:iin, joten valmistajien on käytettävä suurempia jäähdytyssuutimia tuon ylimääräisen lämmön hallintaan. Tämä on erityisen tärkeää modernissa 5G-massive MIMO-järjestelmissä, joissa lämpötilalla on niin keskeinen merkitys. Vain 1 celsiusasteen nousu käyttölämpötilassa voi itse asiassa lyhentää transistorien käyttöikää 8–12 prosentilla. Tämä tekee lämpötilojen huomioon perustuvasta suunnittelusta insinöörien kannalta ehdottoman tärkeänä seuraavan sukupolven viestintälaitteita suunniteltaessa.

Doherty vs. luokka AB: tehokkuus käytännön RF-tehoalueiden käytössä

Testit kaupunkien 5G-asemilla osoittavat, että Doherty-vahvistimet vähentävät sähkönhakua noin 12 prosenttia verrattuna perinteisiin luokan AB vahvistimiin, kun ne käsittelevät monimutkaisia 64QAM OFDM -signaaleja. Mutta asiat vaikeutuvat yli 6 GHz taajuuksilla, joissa Doherty-suunnitelmat tuottavatkin noin 15 % enemmän intermodulaatiota, mikä tarkoittaa, että operaattoreiden on käytettävä lisäksi predistortiotekniikoita kompensoimaan tätä. Katsottaessa käytännön sovelluksia, toteutettiin onnistuneesti vuonna 2023 Tokion Sub-6 GHz -taajuusalueella. Järjestelmä saavutti vaikuttavia suorituskykyarvoja epäsymmetrisillä Doherty-tyyppisillä vahvistimilla, jotka saavuttivat lähes 58 %:n PAE-tehokkuuden ja silti ylläpitivät vahvan 41 dBm:n tehontasoa 100 MHz:n kanavissa, samalla kun virhevektorimagnitudi pysyi hallittuna vain 3,2 %:ssa.

Aktiivinen ja passiivinen jäähdytys suuritehoisissa RF-vahvistimissa

Alumiininitridi-substraatit toimivat hyvin passiivisessa jäähdytyksessä ja ne kestävät noin 18 wattia neliösenttimetriltä, vaikka niiden toiminta alkaa heiketä, kun ympäristön lämpötila nousee yli 70 celsiusasteen. Viimeaikaisista tiheiden elektroniikkajärjestelmien lämmönhallintatutkimuksista on ilmennyt, että aktiiviset nestejäähdytysratkaisut voivat nostaa suorituskyvyn 32 wattia neliösenttimetriltä ja vähentää lämmönvastusta noin 40 prosenttia verrattuna perinteisiin menetelmiin. Ilmailu- ja avaruussovelluksissa, joissa käytetään GaN-on-SiC-vahvistimia, insinöörit yhdistävät usein mikrokanavajäähdyttimet ja huolellisesti säädetyt ilmavirrat pitääkseen kriittiset liitostilat alle 150 celsiusasteessa pitkienkään käyttöjaksojen aikana.

Strategia: Tehokkaiden jäähdytysratkaisujen suunnittelu kompaktien tilojen vaatimusten mukaisesti

Kolme lähestymistapaa mahdollistavat lämmönhallinnan tilarajoitusten vallitessa:

1. Vaihtovaihteiset materiaalit : Imee 300–400 kJ/m³ tehon huipuilla, sopii erityisesti tutkapulssisovelluksiin
2. Timanttikomposiitit : Tarjoaa 2000 W/m·K lämmönjohtavuuden RF-ulosmenoasteessa
3. 3D-tulostetut mikrosarjapinnat : Kasvattaa pinta-alaa 8-kertaiseksi olemassa olevien perustan puitteissa

Vuoden 2023 prototyyppi, joka integroi nämä tekniikat, saavutti 92 % tehokkuuden 28 GHz:n taajuudella ±2°C:n lämpötilavakautena dynaamisten kuormien alla. Alkuvaiheen mallinnus lämmöna ja elektroniikan välisestä vuorovaikutuksesta auttaa estämään tehohäviöitä, jotka johtuvat lämpötilasta riippuvaisista impedanssisiirroista.

Signaalin puhtaus ja vakaus: Lineaarisuuden ja impedanssimatchauksen varmistaminen

RF-tehoalueiden signaalin eheyden ylläpitämiseksi vaaditaan tarkkaa hallintaa lineaarisuuden ja impedanssimatchauksen suhteen.

Kolmannen asteen saturaatiopiste ja intermodulaatiotaajuudet monikanavajärjestelmissä

Kolmannen kertaluvun kynnysepiste eli IP3 toimii pääasiallisena mittana siitä, miten lineaarisesti vahvittimet käyttäytyvät tilanteissa, joissa mukana on useita kantoaaltoja. Kun järjestelmät käsittelevät neljää tai jopa useampia kantoaaltoja, signaalin ja kohinan suhteessa voi esiintyä noin 15 dB:n lasku, mikäli järjestelmä toimii lähellä kompressiota, kuten 3GPP:n vuoden 2022 tutkimus osoittaa. IP3-suorituskyvyn parantaminen noin 6 dB:llä vähentää ärsyttäviä spektrisäteilyjä noin 40 prosentilla LTE Advanced Pro -tukiasemissa. Tämä tekee todellisen eron siinä, kuinka tehokkaasti spektriä hyödynnetään näissä verkoissa.

Yläharmonisten vaimennus ja kohduluku huomioon otettuna

Satelliittiviestintävahvattimissa vaaditaan toisen ja kolmannen yläharmonisen vaimennusta alle -50 dBc:n, jotta estetään häiriöt vierekkäisillä taajuusalueilla. Edistyneet suodatusmenetelmät saavuttavat tämän lisäämällä vähemmän kuin 1 dB kohdulukua ja pitämällä PAE:n (Power Added Efficiency) 85 %:ssa – mikä on kriittistä herkissä sovelluksissa, kuten tutkakorkeusmittareissa ja LEO-satelliittilähettimissä.

Tehon maksimonsiirron ja piirin stabiiliuden vuoksi impedanssin sovitus

Impedanssierot, jotka ylittävät 1,2:1 VSWR:n, johtavat 12 %:n tehohäviöön ja transistorivaurion vaaraan korkean tehon vahvistimissa. Viimeaikaiset kehitykset adaptiivisissa sovitusverkoissa käyttävät uudelleen konfiguroitavia mikroliuska tasapainomuuntajia saavuttaen 97 %:n tehonsiirtoeffektiivisyyden 600 MHz–3,5 GHz taajuusalueella, mikä parantaa laajakaistaisuutta ja luotettavuutta.

Strategia: Signaalin heijastumisen ja värähtelyn välttäminen laajakaistaisissa suunnittelussa

Kolmen vaiheen validointiprosessi takaa stabiiliuden:

1. Simuloi S-parametrit koko käyttökaistan yli
2. Integroi feriittieristävät yli 20 dB:n käänteiseen eristykseen
3. Käytä taajuusvalikoivaa negatiivista resistanssinkorjausta

Tämä menetelmä vähensi seisovan aallon suhdetta 63 %:lla C-kaistan massiivisissa MIMO aktiiviantenniyksiköissä testauksen aikana, parantaen huomattavasti signaalin puhdasta ja järjestelmän kestävyyttä.

UKK

Miksi taajuusalue on tärkeä RF-tehovahvistimille?

Taajuusalue määrittää, kuinka hyvin vahvistin soveltuu järjestelmän signaaliin. Oikea sovitus on tärkeää välttääkseen signaalivääristymän ja varmistaakseen luotettavan suorituskyvyn, erityisesti taajuusalueen ääripäissä.

Miten kaistanleveys vaikuttaa signaalin laatuun?

Kaistanleveys vaikuttaa vahvistimien kykyyn säilyttää signaalin modulaation eheys lähetystä varten. Laajempi kaistanleveys auttaa vähentämään virhevektorisuuruuteen liittyviä ongelmia, mikä on erityisen tärkeää monimutkaisille modulaatioille kuten 256-QAM.

Mikä on 1 dB:n kompressiopisteen merkitys RF-vahvistimissa?

1 dB:n kompressiopiste ilmaisee sen tason, jolla vahvistin alkaa menettää lineaarisuuttaan, mikä johtaa signaalin vääristymiseen. Insinöörit varmistavat yleensä lisävaran estääkseen signaalin heikentymisen odottamattomista tehonpiikkeistä.

Miksi lineaarisuus on niin tärkeää korkean asteen modulaatiomenetelmissä?

Lineaarisuus on olennainen tekijä virhevektorimagnitudin ja bittivirhesuhteen säilyttämisessä hyväksyttävien rajojen sisällä korkean tason modulaatiomenetelmissä, mikä takaa signaalin luotettavuuden eri käyttöolosuhteissa.