Қажеттіліктер үшін RF қуат күшейткіштерін таңдаудың негізгі ерекшеліктері

ЖЖ қуат күшейткішінің өнімділігі үшін жиілік диапазоны мен диапазонға тән талаптар

Satcom, радиолокация және ЭҚЖ жүйелеріндегі Ka-диапазон, Q-диапазон және мм толқын қолдануларын түсіну

Бүгінгі таңда RF күшейткіштер белгілі бір жиілік диапазондары үшін жасалған, мысалы, Ka-диапазоны (26,5-тен 40 ГГц-ке дейін), Q-диапазоны (33-тен 50 ГГц-ке дейін) және мм-толқын (30-тан 300 ГГц-ке дейін), себебі бұл аралықтар әртүрлі қажеттіліктерді қамтамасыз етеді: серікпен байланыс, радиолокациялық жүйелер және электрондық соғыс жабдықтары. Ka-диапазоны пайдалануға болатын жолақтың және сигналдардың атмосфераны қаншалықты жақсы өткізетіндігінің арасындағы жақсы тепе-теңдік орнатады, сондықтан да жоғары сыйымдылықты серік желілерінде кеңінен қолданылады. Ал мм-толқын жиіліктеріне көтерілген сайын басқа артықшылықтар пайда болады. Бұл жоғары жиіліктер 5G желілерінің күшейткіш негізгі желілері мен заманауи әскери сенсорлық массивтеріне қажетті аса жылдам реакция уақытын қамтамасыз етеді. Халықаралық телекоммуникациялық одақтың соңғы есебіне сәйкес, 60 ГГц-те (олардың V-диапазоны деп атайтыны) ылғалды ауадағы су буы сигналдың күшін шақ шақты 15 децибелге дейін километрге шығындайды. Мұндай шығындар инженерлердің жүйелерді нақты ортада орнатқан кезде жұмыс жиіліктерін қаншалықты ұқыпты таңдауы керектігін көрсетеді.

Атмосфералық өшіру әсерлері және олардың ЖЖ қуат шығысының қажеттілігіне әсері

Жаңбырдың әсерінен сигналдың бәсеңдеуі мен оттегінің жұтылуы сияқты атмосфералық әсерлер жоғары жиілікті диапазондарды пайдаланған кезде сигнал сапасына үлкен әсер етеді. Мысалы, Ka-диапазонында дауыл кезінде сигналдың жоғалуы 1 километрге 5 дБ-дан асатын болады. Бұл қосқыштардың қосымша 20% қуат шығаруын талап етеді, өйткені байланысты тұрақты ұстап тұру үшін. 47 ГГц-ге жуық Q-диапазонындағы радиолокациялық жиіліктерде жағдай одан сайын күрделенеді, өйткені атмосфера сигналдарды қатты шашыратады, кейде табу қашықтығын жартыға дейін азайтып тастайды. Теңіз жағалаулары немесе ылғалдылығы жоғары аймақтар ерекше қиыншылық туғызады. Мұндай жағдайлар жиі кездесетіндіктен, көптеген инженерлер қосқыш қуатын 30-50% арттырып жобалайды. Соңғы миллиметрлік толқындарды қолдану бойынша сынақтар осы тәжірибелік жағдайларды ескеріп жоспарлаудың маңыздылығын растайды.

Қосқыш жолақ енін жүйе сигналының таралу талаптарына сәйкестендіру

Жиілік жолағын дұрыс етіп баптау жүйелердің жалпы өнімділігіне әсер ететінін айта кету керек. Мысалы, 12-ден 18 ГГц аралығында жұмыс істейтін Ku-диапазондық ғарыштық байланыс желісін қарастырайық. Егер шамамен 500 МГц жиілік жолағы қажет болса, онда жиіліктің плюс-минус 2% шегінде тұрақтылықты сақтайтын күшейткіштерге міндетті түрде ие болу керек. Әйтпесе, сол сигналдар көршілес арналармен бәсекелесуі мүмкін. Электрондық соғыс жағдайындағы бөгде сигналдарды басу жүйесіне назар аударыңыз, онда жағдайлар одан да күрделірек. Бұл жүйелер жиі 2 ГГц-тан астам жиілік жолағымен жұмыс істейді, сондықтан олар өз жұмыс диапазонында тұрақты күшейту коэффициентін сақтайтын галлий нитриді негізіндегі күшейткіштерге тәуелді. Бұл күшейткіштерде күшейту әдетте жарты децибел шегінде тербеледі. Инженерлер жиі импедансты сәйкестендіру параметрлерін дәл баптау үшін жүктемелі тарту әдістеріне сүйенеді. Бұл сигналдардың шағылуын -15 дБ деңгейінен төмен түсіруге және қазіргі заманғы фазалық антендалық жүйелер үшін маңызды болып табылатын 95% қуат беру әсер есебіне жақындатуға көмектеседі.

Шығыс Қуаты, Сигнал Түрі және Сызықтылық: Пикті-Орташа Қуат Қатынасын және P1dB Компрессиясын Басқару

Тұрақты Толқын, АМ және Күрделі Модуляцияланған Сигналдар үшін Пиктік Қуат Талаптарын Есептеу

Үздіксіз толқын (CW) және амплитудалық модуляцияланған (AM) сигналдармен жұмыс істегенде пиктік қуат негізінде орташа қуат деңгейіне сәйкес келеді, бұл бізге қажетті күшейткіштің өлшемін анықтауды жеңілдетеді. Бірақ 64QAM немесе OFDM сияқты күрделі модуляциялық схемалармен жұмыс істегенде әрекеттер күрделене түседі. Бұл сигналдар өзінің пиктік-орташа қуат қатынасынан (PAR) әртүрлі қуат ырғақтарын тудырады. Мысалы, 64QAM әдетте 3,7 дБ PAR мәнінде болады. Ал OFDM-де PAR 12 дБ-дан асатын болады. Осыған байланысты сигналдың бұрмалануын болдырмау үшін күшейткіштер кемінде 6 дБ қуаттылығының максималды мүмкіндіктерінен төмен жұмыс істеуі керек. Жеткілікті басқару кеңістігін қамтамасыз ету жақсы сигнал сапасын сақтау үшін өте маңызды, бұл радарлық жүйелерден бастап, 5G желілерінің тарай бастауына дейінгі барлық салаларда қажет.

RF Қуат күшейткішін таңдауда PAR және Crest Factor-дің ролі

ПАҚ (максималды орташа қатынас) және сигналдың орташа деңгейіне қатысты қаншалықты өзгеретінін өлшейтін пайдалы фактор күшейткіштің қаншалықты сызықты және тиімді болатындығын анықтауда маңызды рөл атқарады. Жоғары жиілікті сигналдармен жұмыс істегенде көбінесе күшейткіштердің өзінің максималды шығыс мүмкіндігінен төмен шамамен 6-7 дБ бас тарту қажет болады, өйткені сигналдың өзінен туындайтын ұмтылыстарды басқару үшін ғана қажет. Мысалы, 40 Вт қатты күйдегі күшейткішті алып отырсақ, егер ол 10 дБ пайдалы факторы бар сигналды өңдесе, онда техникалық тұрғыдан алғанда ол орташа есеппен шамамен 4 Вт ғана шығаруы мүмкін, әйтпесе сығылу әсерінен пайда болатын бұрмалаулар болуы мүмкін. Бұндай компромисс әсіресе жиілік спектріне қатаң сәйкес келу талап етілетін заманауи байланыс жүйелерін пайдаланған кезде міндетті болып табылады. 5G желілерін немесе жиіліктер тұрақты түрде өзгеріп отыратын және интенсивтілігі әртүрлі сигналдар болатын электрондық соғыс құралдарын елестетіңіз.

P1dB төмен жұмыс істеу арқылы сығылу мен бұрмалауды болдырмау

Күшейткіш 1 дБ компрессия нүктесіне немесе қысқаша айтқанда P1dB-ге жеткен кезде, заттар сызықты емес болып басталады. Бұл табалдырықтан өтіп кетсе, проблемалар тез пайда болады - біз бұрмаланудың гармоникалық бөлігін және осы қатты қоспалы өнімдерді байқаймыз, соның нәтижесінде сигнал сапасының жамандауына әкеліп соғады. Толқын импульсті сигналдармен жұмыс істейтін радиолокациялық жүйелер үшін инженерлер P1dB белгісінен 3-тен 5 дБ төмен тұруға тырысады. Алайда күрделірек модуляцияланған сигналдармен жұмыс істеу кезінде қауіпсіздік үшін әдетте 6-дан 10 дБ дейінгі қосымша орын қажет болады. Галлий нитридті GaN күшейткіштер соңғы жылдары өте танымал болып келеді, себебі олар шын мәнінде ескі жүгіру толқындық түтік TWT технологиясымен салыстырғанда көп жоғары P1dB деңгейіне жетеді. Бұл жобалаушылардың өнімділікті құрбандық етпей-ақ, түзулік шектерін тарылтуына мүмкіндік береді, бұл әсіресе кеңістік салмағы мен қуатты пайдалану маңызды болып табылатын қолданбаларда өте құнды.

Бұл құрылымдалған тәсіл шығыс қуаты, сызықтылық және әсерлілік арасындағы тиімді балансты қамтамасыз етеді.

Жоғары жиілікті ШҚ қуат күшейткіштерін жобалауда әсерлілік, күшейту және сызықтылық арасындағы өзара алмасу

Қазіргі ШҚ қуат күшейткіштерінде әсерлілік пен сызықтылықты теңгеру

Жоғары жиілікті RF қуат күшейткіштерін жасаған кезде инженерлер әрі қарай сыйымдылықты және сызықтылық талаптарын теңгеруі тиіс. Класс-EF жобалары 1,9-дан 2,9 ГГц-ке дейінгі жалпы жолақ енін қамтумен қатар, шамамен 70-ден 83 пайызға дейінгі дренаждың пайдалы әрекет ету коэффициентіне жетеді, сонымен қатар Nature журналында өткен жылы жарияланған зерттеулерге сәйкес 39,5 дБм-нан асатын шығыс қуатын қамтамасыз етеді. Бірақ OFDM немесе QAM модуляциясын қолданатын жүйелер үшін бұл спектрлік шығыстар бойынша реттеу шектеулерін сақтау үшін өте дәл сызықтылық бақылауларын қажет ететіні соншалықты. Бұл әдетте 15-20 пайызға дейінгі тиімділікті төмендететін қосымша шығындармен қол жетімді болады. Қазіргі кезде көптеген заманауи жүйелерде адаптивті біас әдістері мен сандық преддисторция әдістерін қолдану арқылы осы шектеулерді жеңіп шығуға болады. Бұл әдістер 5G инфрақұрылымдық жобалаулар мен қажетті сигналдың бүтіндігін сақтау маңызды болып табылатын серіктестік байланыс желілері сияқты әртүрлі қолданыстар бойынша қажетті өнімділік деңгейлерін сақтауға көмектеседі.

Каскадты ЖЖ жүйелеріндегі күшейту және түсіру саны

Көп сатылы ЖЖ тізбектерінде жалпы күшейту мен түсіру саны сигналдың тұтастығына маңызды әсер етеді. Әрбір саты қажетті сигналды және алдыңғы компоненттердегі дыбысты күшейтеді. Бірінші саты жалпы дыбыс сапасын басқаратындықтан, қабылдағыш алдындағы төмен дыбысты күшейткіштер (LNA) маңызды рөл атқарады.

ПА күшейтуі келесі жоғалтуларды толтыруы керек, бірақ артық күшейту келесі сатылардың сызықтылығын төмендетіп, компрессияға әкеліп соғуы мүмкін.

Сызықты емес жұмыс аймақтарындағы гармоникалық тежеу мен сигналдың тұтастығы

Ампердің қанығу нүктесіне жақын жұмыс істеуі әлбетте пайдалану әсерін арттырады, бірақ бұл жоғары гармоникалардың пайда болуына әкеледі. Класс-EF жобалау әдісі бұл мәселені шешу үшін ерекше гармоникалық бақылау желілерін қолданып, екіншіден бесінші дәрежеге дейінгі қосымша гармоникаларды басып тұрады. Бұл желілер импедансты дәл таңдау арқылы жұмыс істейді, сондықтан жоққа шығарылған шығындарды Класс-F нұсқаулармен салыстырғанда шамамен 25-ден 40 дБс дейін азайтады. Нәтижесінде, бұл жобалар 80% және одан да жоғары пайдалану әсеріне қол жеткізе алады, сонымен қатар радиолокация және электрондық соғыс қолданбалары үшін қажетті сигнал сапасын бұзбайды. Әйтсе де, инженерлердің есте алуға тиіс нәрсе – бұл сызықты емес жұмыс режимдерінде бірнеше тасымалдаушылармен жұмыс істеген кезде пайда болуы мүмкін болған интермодуляциялық бұрмалаулар мәселесі. Бірнеше нақты әлемдегі сынақтар жиі өндірістік жүйелерде үлкен проблемаға айналардан бұрын осындай мәселелерді анықтап береді.

Жылумен басқару және RF қуат күшейткішін орналастыру кезінде SWaP-C параметрлерін тиімді пайдалану

Қуат шығыны мен жұмыс істеу цикліне негізделген суыту талаптары

Жылу жобасын дұрыс жасау дегеніміз оның қалай жұмыс істейтініне және қандай қуатты пайдаланатынына сәйкестендіру деген сөз. Қазіргі кезде барлық жерде салынып жатқан 5G ұялық желісінің құрылғылары немесе радиолокациялық жүйелерде үздіксіз пайдаланылатын RF күшейткіштерін мысалға келтірейік. Бұл құрылғылар әдетте өзіне түсетін қуаттың екіден бірінен үштен екісіне дейін тікелей жылуға айналдырады. Ал енді 1 шаршы миллиметр ауданына 3 ватттан асатын қуат тығыздығы тән болатын GaN негізіндегі компоненттер туралы ойланыңыз. Мұндай деңгейде қарапайым ауамен салқындату тиімсіз болып қалады. Өндірушілер міндетті түрде өрістірілген ауа жүйелеріне немесе сұйық салқындату шешімдеріне ауысуы тиіс. Сонымен қатар, аса қатаң орта жағдайлары да мәселе болып табылады. Жасанды серіктердің пайдалы жүктемелері жиі минус 40 градус Цельсийден плюс 85 градусқа дейінгі температуралар диапазонына тап болады. Дәл осындай температура өзгерістері жылу шығаратын құрылғылардың тиімділігіне және инженерлердің әртүрлі бөлшектер үшін таңдайтын материалдарына әсер етеді. Осындай қолданулар үшін материалдарды таңдаған кезде жылу ұлғаюы маңызды фактор болып табылады.

Ұзақ мерзімді сенімділік пен тұрақтылыққа жылулық дизайнның әсері

Жылулық басқарудың төмен деңгейі компоненттердің уақыт өте жылдам тозуын тездетеді. 2022 жылы IET Microwaves журналында жарияланған кейбір зерттеулер күшейткіштердің температураның үнемі жоғары болуына ұшыраған кезде 40% аз ғана қызмет ететінін көрсетті. Сол себепті инженерлер жартылай өткізгіштік кристалдармен қыздырған кезде ұқсас жылдамдықпен ұлғаятын алюминий-кремний карбиді (AlSiC) сияқты материалдарға көшеді. Жылу өткізгіштігі 8 Вт/м К-ден жоғары болатын жылулық интерфейстік материалдар жылу алмасу мәселелерімен күресуге көмектеседі. Олар бөлшектер арасындағы температура айырмашылықтарын теңестіруге көмектеседі, соның нәтижесінде жиі сигналдарды өңдейтін жүйелерде пайда болатын және интермодуляциялық бұрмалаулар туғызатын қызу аймақтардың пайда болуын азайтады.

Қорғаныс және коммерциялық жүйелердегі өлшем, салмақ, қуат және құн (SWaP-C) шектеулерін шешу

Қазіргі күні әскериетке 100 ваттан астам қуат беріп, сонымен қатар жарты литрден кіші кеңістікке сыйатын күшейткіштер қажет. Бұл бұрын қолданылғаннан 60 пайызға кіші кеңістік алады. Коммерциялық 5G mMIMO массивтері үшін компаниялар әрбір ваттың шығыны 25 центтен аспайтын қолжетімді нұсқаларды іздеуде. Модульдік RF жобалау тәсілдері инженерлердің жиіліктердің әртүрлі диапазондарында жүйелердің қуат әсерлілігін 90 пайыздан жоғары сақтай отырып, жүйелердің масштабын өзгертуіне мүмкіндік береді. Әуе радиолокациялық қолданбаларында алюминий нитриді субстраттарына көшіп, дәстүрлі материалдармен салыстырғанда жалпы салмақты 35 пайызға дейін азайтуға болады. Әрбір қосымша фунт миссияның сәттілігіне әсер ететіндіктен, ұшақтардың жұмыс істеуі үшін бұл өте маңызды.

TWT және Сұйық-күйлі (GaN) күшейткіштер: Жоғары жиілікті қолданбалар үшін технологиялық салыстыру

Өнімділікті салыстыру: Жалғыз толқынды түтікше мен GaN RF қуат күшейткіштері

Жоғары қуатты mmWave қолданбалар туралы айтқанда, жүріп отырған толқын түтігі (TWT) күшейткіштері әлі де өзінің орнында тұр, 30 ГГц-тен жоғары шамамен 1 кВт шығысын беріп, жартысын пайдалы әрекет коэффициентіне ие. Екінші жағынан, галлий нитриді (GaN) күйіндегі күшейткіштер төмен жиіліктер аясында (1-20 ГГц) қуатты ұстап тұрады, 60-70% пайдалы әрекет коэффициентіне жетіп, сөрелерде кеңістікті аз алады. Әскери тұрғыда TWT-ті 2-ден 18 ГГц-ке дейінгі жолақты электрондық соғыс жүйелері үшін жақсы көреді, бірақ соңғы кезде GaN технологиясы серіктелер арасындағы байланыс және 5G желілеріне арналған артқы байланыс желілеріне де ене бастады, қазіргі уақытта шамамен 40% кеңірек жолақтылық мүмкіндіктерін ұсынады.

Қызмет ету мерзімі, жолақтылық және пайдалы әрекет коэффициенті: вакуумдық түтік пен жартылай өткізгіш технологиялары арасындағы салыстыру

Бір жағынан, TWT күшейткіштер катодтың тозуы маңызды мәселе болып табылатын 8 000-ден 15 000 сағатқа дейінгі уақыт аралығында жұмыс істейді. Екінші жағынан, GaN құрылғылар жобалаушылар термиялық басқаруды дұрыс орындаған жағдайда оңай 100 000 сағатты асып түседі. Қуат тығыздығының айырмашылығы да өте үлкен. GaN миллиметріне шамамен 4 Вт қуат береді, яғни құрамдас бөлшектер кәдімгі TWT-ден 30 пайызға дейін аз орын алады, олар тек куб миллиметріне 10 Вт ғана ұстайды. Әлбетте, ескеретін жай - TWT технологиясы әсіресе Ka-диапазонындағы радиолокациялық қолданбалар үшін шығыстағы пиктік қуат шығысында үлкен артықшылықты сақтап қалады және онда беске бір ғана үстемдік орын алады. Жартылай өткізгіш шешімдердің тағы бір үлкен артықшылығы - бұрмалау деңгейін сызықты емес жұмыс режимдерінде шамамен 12 децибелге төмендету мүмкіндігі. Бұл күрделі фазалық араластыру жүйелерінде бірнеше арна бойынша таза сигналдарды сақтау үшін нақты айырмашылық жасайды.

Қолдануға бейімділігі: Радар, Сатком және Электрондық соғыс жүйелері

L-ден X-діктеріне дейінгі диапазондарды қамтитын ұзақ әрекет радиолокациялық қолданбалар үшін, сондай-ақ кем дегенде 200 ватт шығысы қажет болатын және серіктестік байланыс жүйелері үшін, жүгіру толқынды түтіктер қолданылатын шешім ретінде қалады. Алайда қазіргі уақытта галлий нитридті күшейткіштер көбінесе электрондық соғыс платформаларында қолданылады. Бұл GaN құрылғылар бір уақытта 2 мен 6 гигагерц арасындағы жолақты қамтамасыз етеді, бұл жиіліктерді тез ауыстыру қажет жүйелер үшін өте тиімді. Сонымен қатар, дәстүрлі технологиялармен салыстырғанда олардың өлшемін, салмағын және энергия тұтынуын шамамен 60 пайызға дейін азайтады. Өткен жылы жасалған әскери зерттеулерге сәйкес, GaN компоненттерінен жасалған бұғаттау құрылғылары TWT негізіндегі жүйелерге қарағанда жылу жиналуын шамамен 40 пайызға дейін азайтады, әрі екеуі де S-диапазонды операциялар кезінде шамамен бірдей деңгейдегі сигнал күшін сақтайды. Сондай-ақ қызықты даму жолдары да жүруде, мысалы, инженерлер GaN драйверлерін Ka-диапазонды зымыран басқару қолданбалары үшін TWT соңғы кезеңдерімен үйлестіруде. Бұл аралас тәсіл өзінің GaN энергиясын үнемдеуі мен кейбір жоғары өнімділік талаптарын орындау үшін қажетті таза қуат мүмкіндіктерін біріктіргендіктен перспективті болып табылады.

ЖИҚ: Радиожиілікті күшейткіштер

Радиожиілікті күшейткіштер әртүрлі қолданбалар үшін қандай жиілік диапазондарында жұмыс істейді?

Радиожиілікті күшейткіштер Ka-диапазоны (26,5-40 ГГц), Q-диапазоны (33-50 ГГц) және миллиметрлік толқын (30-300 ГГц) сияқты жиілік диапазондарында жұмыс істейді, олар серіктестік байланыстары, радиолокациялық жүйелер мен электрондық соғыс құралдарына арналған.

Атмосфералық жағдайлар радиожиілікті күшейткіштердің өнімділігіне қалай әсер етеді?

Жауын-шашынның әсері мен оттегінің жұтылуы сияқты атмосфералық жағдайлар сигнал сапасына әсер етіп, қосымша қуат беру арқылы қосылыстың тұрақтылығын сақтау қажеттілігін туғызады, әсіресе Ka-диапазоны мен Q-диапазоны сияқты жоғары жиілікті диапазондарда.

Радиожиілікті күшейткіштердегі P1dB компрессиясының маңызы қандай?

P1dB компрессиясы күшейткіш сызықты емес мінез-құлық көрсетіп, бұрмалауларды туғызатын нүкте болып табылады. Компрессиядан аулақ болып, жақсы сигнал сапасын сақтау үшін P1dB төменгі деңгейде жұмыс істеу маңызды.

Жылумен басқару радиожиілікті күшейткіштердің сенімділігіне қалай әсер етеді?

Дұрыс жылу реттеу RF күшейткіштерінің қызмет ету мерзімін ұзарту үшін маңызды. Тиімсіз жылу шашырау күшейткіштердің тез тозуына және сенімділігінің төмендеуіне әкеліп соғуы мүмкін, сонымен қатар жоғары күштілік тығыздығы бар компоненттер үшін сұйық салқындату сияқты күрделі салқындату әдістерін қолдану қажет.

TWT және GaN күшейткіштері арасында таңдау жасау неліктен маңызды?

Жүгіру толқынды түтік (TWT) және Галлий нитриді (GaN) күшейткіштері арасындағы таңдау қолдану саласының қажеттіліктеріне байланысты. Жоғары қуат пен кең жолақтылық қажет болған жағдайда TWT күшейткіштері құралы таңдалады, ал GaN күшейткіштері төменгі жиіліктер мен жылдам қолдану жағдайларында пайдалану тиімділігі мен кеңістікті үнемдеуімен ерекшеленеді.