Pagrindiniai reikalavimai renkantis RF galios stiprintuvus pagal poreikius

Dažnių Diapazonas ir Juostai Būdingi Reikalavimai RF Stiprintuvų Našumui

Ka Juostos, Q Juostos ir mmWave Taikymas Satcom, Radarų ir EW Sistemose

Šiuolaikiniai RF stiprintuvai yra sukurti tam tikromis dažnių juostomis, tokiose kaip Ka diapazonas (26,5–40 GHz), Q diapazonas (33–50 GHz) ir milimetrinių bangų diapazonas (30–300 GHz), nes šios juostos tenkina skirtingas palydovinio ryšio, radarų sistemų ir elektroninio karo įrangos reikmes. Ka diapazonas pasižymi gera kompromisinke verte tarp prieinamos juostos pločio ir signalo prasiskverbimo atmosferoje, todėl jis populiarus aukštos kokybės palydovinėms ryšių linijoms. Tačiau pereinant prie milimetrinių bangų dažnių, atsiranda ir kitų privalumų. Aukštesni dažniai leidžia pasiekti nepaprastai greitą reakciją, reikalingą 5G tinklų infrastruktūrai ir pažengusiems kariniams jutiklių masyvams. Naujausias Tarptautinės telekomunikacijų sąjungos ataskaita pažymi, kad 60 GHz dažnyje (vadinamajame V diapazone) drėgnoje aplinkoje esantis vandens garai gali sumažinti signalo stiprumą net 15 decibelų viename kilometre. Toks praradimas parodo, kodėl inžinieriams reikia atidžiai rinktis tinkamas darbo dažnis, kai šios sistemos yra diegiamos realiose sąlygose.

Atmosferos slopinimo poveikis ir jo poveikis RF galios išvesties poreikiams

Orų sąlygų poveikis, toks kaip lietaus slopinimas ir deguonies sugerties efektas, labai trikdo signalo kokybę naudojant aukšto dažnio juostas. Paimkime pavyzdžiui Ka dažnių juostą – audros metu signalo nuostoliai gali viršyti 5 dB/km. Tai reiškia, kad stiprintuvai turi tiekti apie 20 % daugiau galios, kad ryšys būtų stabilus. Dar sudėtingiau tampa Q dažnių juostos radarų dažniuose, artimuose 47 GHz, kur atmosfera taip išsklaido signalus, kad kartais aptikimo spindulys sumažėja beveik perpus. Kranto regionai ar vietos su dideliu drėgnumi yra ypač reikalaujantys. Daugelis inžinierių projektuoja papildomą stiprintuvų galios talpą, paprastai nuo 30 iki 50 %, nes tokios sąlygos yra labai dažnos. Naujausi bandymai su milimetrinėmis bangomis tai patvirtina, parodant, kodėl praktikoje yra svarbu planuoti veiksmus esant blogiausiomis sąlygomis.

Stiprintuvo juostos pritaikymas prie sistemos signalo sklaidos reikalavimų

Pasirinkus tinkamą pralaidumą, visos sistemos veikia kur kas geriau. Paimkime, pavyzdžiui, Ku dažnių juostos palydovinę ryšio liniją, veikiančią tarp 12 ir 18 GHz. Jei reikia apie 500 MHz pralaidumo, būtina naudoti stiprintuvus, kurių dažnis yra stabilus ±2 % ribose. Priešingu atveju, signalai gali trukdyti kaimyninėms kanalams. Panagrinėkime dar sudėtingesnę elektroninio karo trikdančių sistemų situaciją. Šios sistemos dažnai naudoja daugiau nei 2 GHz pločio pralaidumą, todėl jos labai priklauso nuo galio nitrato pagrindu pagamintų stiprintuvų, kurie viso veikimo diapazono ribose išlaiko nuolatinį stiprinimą, paprastai neviršijant 0,5 decibelų pokyčio. Inžinieriai dažnai naudoja apkrovos pritraukimo metodą, siekdami tiksliai sureguliuoti impedanso priderinimo parametrus. Tai padeda sumažinti signalų atspindį žemiau -15 dB lygio ir pasiekti beveik optimalų apie 95 % galios perdavimo efektyvumą, kuris yra itin svarbus šiuolaikinėms fazuotųjų antenų sistemoms.

Išvesties galia, signalo tipas ir tiesiškumas: piko ir vidutinės galios santykio ir P1dB kompresijos valdymas

Apskaičiuojant maksimalios galios reikalavimus nuolatiniams, amplitudžiai moduliuotiems ir sudėtingai moduliuotiems signalams

Kai susiduriame su nuolatinės bangos (CW) signalais ir amplitudės moduliuotais (AM) signalais, viršutinė galia praktiškai atitinka vidutinio lygio galią, todėl daugiau ar mažiau aišku, kokio dydžio stiprintuvą reikia pasirinkti. Tačiau situacija pasikeičia, kai dirbame su pažengusiomis moduliacijos schemomis, tokio kaip 64QAM arba OFDM. Šie signalai dėl viršutinės ir vidutinės galios santykio (PAR) sukelia įvairaus tipo galios svyravimus. Paimkime 64QAM – paprastai PAR yra apie 3,7 dB. Tuo tarpu OFDM PAR gali viršyti net 12 dB. Dėl to, stiprintuvai turi veikti bent 6 dB žemiau jų maksimalios galios, jei norime išvengti bet kokio signalo iškraipymo. Pasirinkti tinkamą atsarga yra būtina, kad būtų užtikrinta kokybiška signalo kokybė nuo radarų sistemų iki palydovinio ryšio, o taip pat ir dėl visų 5G tinklų diegimo.

PAR ir viršūnės faktoriaus vaidmuo renkantis RF stiprintuvą

PAR (viršūnės ir vidurkio santykis) ir viršūnės faktorius, kuris esmingai matuoja, kiek signalo viršūnės viršija jo vidutinį lygį, žaidžia svarbų vaidmenį nustatant, kiek tiesioginis ir efektyvus bus stiprintuvas. Dirbant su aukšto dažnio signalais, daugeliui stiprintuvų reikia apie 6–7 dB galios atsargos žemiau jų maksimalios išvesties galios, kad būtų galima susidoroti su neišvengiamais signalų šuoliais. Paimkime standartinį 40 vatų stiprintuvą su kietąja būsena. Jei jis apdoroja signalą, kurio viršūnės faktorius yra 10 dB, techniškai jis gali išskirti tik apie 4 vatų vidutinę galią, kol dar nepradėjo iškraupimų dėl kompresijos efekto. Toks kompromisas iš esmės nėra pasirinkimas, ypač kai dirbama su šiuolaikinėmis ryšių sistemomis, kurios reikalauja griežtai laikytis spektro reglamentavimo. Pagalvokite apie 5G tinklus arba elektroninio karo įrangą, kur dažniai nuolat kinta ir signalai intensyvumo požiūriu smarkiai skiriasi.

Vengiant kompresijos ir iškraupimų, veikiant žemiau P1dB

Kai stiprintuvai pasiekia 1 dB kompresijos tašką, arba P1dB, tada pradeda veikti netiesiniai efektai. Viršijus šį slenkstį, kyla problemų – pasirodo harmoniniai iškraipymai ir nepageidaujami intermoduliacijos dažniai, dėl kurių bendrai pablogėja signalo kokybė. Radarų sistemoms, veikiančioms su impulsiniais signalais, inžinieriai paprastai stengiasi išlaikyti apie 3–5 dB žemiau P1dB ribos. Tačiau sudėtingesniems moduliuotiems signalams reikia papildomai apie 6–10 dB atsargos, kad būtų užtikrinta saugus veikimą. Galio nitrino (GaN) stiprintuvai pastaruoju metu tapo gana populiarūs, nes jų P1dB lygis daug aukštesnis lyginant su senesne bėgimojo bangos vamzdelio (TWT) technologija. Tai reiškia, kad projektuotojai gali dirbti su siauresniais lineariškumo intervalais, neprarandant našumo, o tai ypač svarbu ten, kur svarbūs gabaritai, svoris ir energijos suvartojimas.

Šis struktūruotas požiūris užtikrina optimalų balansą tarp išvesties galios, tiesiškumo ir efektyvumo naudojant RF galios stiprintuvus.

Efektyvumas, stiprinimas ir tiesiškumo kompromisiniai sprendimai aukšto dažnio RF galios stiprintuvų konstravime

Efektyvumo ir tiesiškumo balansavimas šiuolaikiniuose RF galios stiprintuvuose

Kurdami aukštos dažnio RF galios stiprintuvus, inžinieriai turi sverti efektyvumą ir tiesiškumo reikalavimus. EF klasės konstrukcijos pasiekia apie 70–83 proc. droselio efektyvumą, apimdamas platų pralaidumo juostų diapazoną nuo 1,9 iki 2,9 GHz, be to, jos pagal praeitų metų Nature paskelbtus tyrimus suteikia daugiau nei 39,5 dBm išvesties galią. Tačiau yra viena problema sistemoms, naudojančioms OFDM arba QAM moduliavimo schemas, nes šios reikalauja gana griežto tiesiškumo kontrolės, kad būtų išlaikyti reglamentiniai spinduliavimo ribiniai dydžiai. Paprastai tai kainuoja – efektyvumas sumažėja apie 15–20 procentų praktikoje. Daugelyje šiuolaikinių sprendimų dabar naudojamos adaptacinės poliarizacijos technikos, derinamos su skaitmeninio iškraipymo metodais, kad būtų pašalintas šis apribojimas. Šie metodai padeda išlaikyti būtinus našumo lygius įvairiose srityse, įskaitant 5G infrastruktūros diegimą ir palydovinių ryšių tinklus, kur svarbu išlaikyti signalo vientisumą.

Stiprinimas ir triukšmo rodiklis kaskadiniuose RF sistemose

Kelių pakopų RF grandinėse bendras stiprinimas ir triukšmo rodiklis kritiškai veikia signalo kokybę. Kiekviena pakopa stiprina tiek pageidaujamą signalą, tiek triukšmą, atsiradusį ankstesnėse komponentėse. Kadangi pirmoji pakopa nulemia bendrą triukšmo našumą, imtuvų priekinėse pakopose būtini žemo triukšmo stiprintuvai (LNA).

Nors stiprintuvo stiprinimas turi kompensuoti nuostatas žemyn, pernelyg didelis stiprinimas gali priversti vėlesnes pakopas veikti kompresijos režimu, prastindamas sistemos tiesiškumą.

Aukštesniųjų harmonikų slopinimas ir signalo kokybė netiesinio veikimo srityse

Veikiančios srovės arti jų soties taško padeda padidinti efektyvumą, nors tai kainuoja daugiau harmonikų generavimo. Class-EF konstrukcijos metodas šiai problemai sprendžia naudodamas specialias harmonikų kontrolės tinklas, kurios sumažina nepageidaujamas antrąsias iki penktųjų eilės harmonikas. Šie tinklai veikia tinkamai pritaikant impedansus, todėl nepageidaujamų išspinduliavimų sumažėja apie 25–40 dBc lyginant su Class-F konfigūracijomis. Dėl to tokios konstrukcijos gali pasiekti daugiau nei 80 % efektyvumą, nesumenkindamos signalo kokybės, reikalingos radarų ir elektroninio karo sistemoms. Visgi verta paminėti, kad inžinieriai turėtų atkreipti dėmesį į galimus problemų su intermoduliacijos iškraipymais, kai dirbama su keliais nešikliais netiesiniuose veikimo scenarijuose. Keli praktiški bandymai dažnai atskleidžia šias problemas dar prieš jos tampa rimtomis kliūtimis pramoninėse sistemose.

Šiluminio valdymo ir SWaP-C optimizavimo aspektai naudojant RF galios stiprintuvus

Aušinimo reikalavimai, pagrįsti galios sklaidos ir darbo ciklo duomenimis

Norint tinkamai suprojektuoti terminį dizainą, būtina jį pritaikyti pagal įrangos veikimo būdą ir sunaudojamos energijos kiekį. Paimkime, pavyzdžiui, nuolat veikiančius RF stiprintuvus, naudojamus radarų sistemose arba didelėse 5G ryšių bokštų konstrukcijose, kurios šiais laikais statomos visur. Šie įrenginiai paprastai perdirba nuo pusės iki trijų ketvirtadalių pateiktos energijos tiesiogiai į šilumą. Įsivaizduokite, kad kalbame apie GaN technologijos komponentus, kuriuose energijos tankis viršija 3 vatų kvadratiniame milimetre. Tokie rodikliai jau neleidžia naudoti įprasto oro aušinimo. Gamintojams tenka naudoti priverstinio oro cirkuliavimo sistemas ar net skysčio aušinimo sprendimus. Taip pat reikia atsižvelgti į ekstremalias aplinkos sąlygas. Palydovų naudingosios apkrovos dažnai patiria temperatūros svyravimus nuo minus 40 laipsnių Celsijaus iki plius 85 laipsnių. Tokioje temperatūros įkaitoje keičiasi radiatorių veikimo efektyvumas ir tenka kitaip rinktis medžiagas inžinerinėms detalėms. Medžiagų parinkimo procese svarbiu klausimu tampa terminis plėtimasis.

Šiluminio dizaino poveikis ilgalaikiam patikimumui ir stabilumui

Prasta šilumos valdymo sistema tikrai pagreitina komponentų nusidėvėjimą laikui bėgant. Kai kurios IET Microwaves 2022 m. atliktos studijos parodė, kad stiprintuvai gali veikti net 40 % trumpiau, kai jie nuolat veikiami aukštos temperatūros. Dėl šios priežasties inžinieriai nusisuko į tokius medžiagas kaip aliuminio silicio karbidas (AlSiC). Šios medžiagos gerai veikia, nes jos plečiasi panašiais rodikliais kaip puslaidininkio kristalai kaitinant. Tiems, kas susiduria su šilumos perdavimo problemomis, šilumos tarpininkavimo medžiagos, kurių laidumas viršija 8 W/m K, daro didelį poveikį. Jos padeda išlyginti temperatūros skirtumus tarp komponentų, todėl mažėja nepageidaujami karšti taškai, kurie iš tikrųjų sukelia problemas, tokias kaip intermoduliacijos iškraipymai, ypač sistemose, valdančiose kelis signalus vienu metu.

Sprendžiama dėl dydžio, svorio, galios ir kainos (SWaP-C) apribojimų gynybos ir komerciniuose sistemose

Šiuolaikinėms kariuomenės reikmėms reikia stiprintuvų, kurie šiuolaikinėmis dienomis galėtų generuoti daugiau nei 100 vatų galią, tačiau tilpti į erdvę mažesnę nei pusė litro. Tai yra maždaug 60 procentų mažiau nei anksčiau naudota. Komercinėms 5G mMIMO antenų sistemoms įmonės ieško finansiškai prieinamų sprendimų, kai kiekvienas vatas gamybos atžvilgiu nekainuotų daugiau nei 25 centus. Modulinė RF konstravimo metodika leidžia inžinieriams kurti sistemas, kurios būtų pritaikomos skirtingiems dažniams, išlaikant energijos naudą virš 90 procentų. Kai kalba eina apie orlaivių radarų sistemas, pereinant prie aliuminio nitrido substratų, bendras svoris sumažėja apie 35 procentus lyginant su tradiciniais medžiagų sprendimais. Tai yra itin svarbu orlaivių operacijoms, kai kiekvienas papildomas svaras gali turėti įtakos misijos sėkmei.

TWT vs. Solid-State (GaN) stiprintuvai: technologijų palyginimas aukšto dažnio pritaikymams

Našumo palyginimas: bėgimo bangos vamzdelis vs. GaN RF galios stiprintuvai

Kai kalbama apie didelės galios mmWave taikymo sritis, judančio bangos vamzdžio (TWT) stiprintuvai vis dar išlaiko savo pozicijas, nes jie gali generuoti apie 1 kW išvestį virš 30 GHz su maždaug puse energijos efektyviai konvertuojama. Kita vertus, galio nitrino (GaN) stiprintuvai sugeba pasižymėti, kai reikia dirbti su žemesniais dažniais tarp 1 ir 20 GHz, pasiekiant 60–70 % efektyvumą ir užimant daug mažiau vietos lentynoje. Karinės struktūros mėgsta TWT dėl platųjuosiuose elektroninio karo sistemose, kurios apima 2–18 GHz diapazoną, tačiau pastaruoju metu GaN technologijos įgūdis auga ir palydovinės komunikacijos bei 5G tinklų infrastruktūros srityse, siūlant beveik 40 % platesnį pralaidumą.

Tarnavimo laikas, pralaidumas ir efektyvumas: vakuuminių vamzdžių ir puslaidininkių technologijų palyginimas

Daugelyje TWT stiprintuvų katodo nubrozdinimas tampa problema praejus maždaug 8 000 ar net 15 000 valandų. Tuo tarpu GaN įrenginiai gali be jokios problemos veikti daugiau nei 100 000 valandų, jei konstruktoriams pavyksta tinkamai valdyti šilumą. Taip pat reikšmingai skiriasi ir galios tankis. GaN siūlo apie 4 vatų milimetre, tai reiškia, kad komponentai užima maždaug 30 procentų mažiau vietos nei tradiciniai TWT, kurie viename kubiniame centimetre gali išlaikyti tik 10 vatų. Tačiau verta paminėti, kad TWT technologijai vis dar turi daugiau pranašumų kalbant apie viršutinę galios išvestį, ypač naudojant Ka diapazono radarus, išlaikant maždaug penkis kartus didesnį pranašumą. Kitas svarbus puslaidininkinių sprendimų pranašumas yra jų gebėjimas sumažinti harmoninį iškraipymą apie 12 decibelų esant netiesiniam veikimo režimui. Tai leidžia išlaikyti švarius signalus per kelias kanalus sudėtingose fazuotųjų antenų sistemose.

Pritaikymas: Radarai, Satcom ir elektroninės karo sistemos

Ilgojo diapazono stebėjimo radarų sistemose, apimtinčiose L iki X bangų diapazonus, taip pat palydovinės ryšių sistemose, reikalaujančiose bent 200 vatų išvesties, bėgimo bangos vamzdeliai išlieka pagrindiniu sprendimu. Tuo tarpu šiuolaikinėse karo technologijose daugelyje platformų jau yra naudojami galio nitrido stiprintuvai. Šie GaN įrenginiai vienu metu gali suteikti nuo 2 iki 6 gigahercų juostos plotį, todėl jie puikiai tinka sistemoms, kurios reikalauja greito dažnio perjunginėjimo. Be to, jie sumažina dydį, svorį ir energijos suvartojimą maždaug 60 procentų lyginant su tradicinėmis technologijomis. Pagal paskutinius karo technologijų tyrimus praėjusiais metais, su GaN komponentais sukurti trukdikliai iš tikrųjų sumažina šilumos kaupimąsi maždaug 40 procentų lyginant su panašiomis TWT pagrįstomis sistemomis, net jei abi išlaiko maždaug tokį pat signalo stiprumo lygį S diapazono operacijoms. Taip pat vyksta įdomūs nauji tyrimai, kai inžinieriai sujungia GaN stiprintuvus su TWT galiniais etapais Ka diapazono priešlėktuvinių raketų valdymo sistemose. Šis mišrus metodas atrodo perspektyvus, nes sujungia GaN energijos taupymo privalumus su galingumo galimybėmis, reikalingomis kai kuriose aukštos kokybės našumo sistemose.

DUK: RF galios stiprintuvai

Kokiose dažnių juostose veikia RF galios stiprintuvai skirtingoms programoms?

RF galios stiprintuvai veikia dažnių juostose, tokiose kaip Ka-juosta (26,5–40 GHz), Q-juosta (33–50 GHz) ir mmWave (30–300 GHz), kurios naudojamos palydovinės ryšių, radarų sistemoms ir elektroninės kovos programoms.

Kaip atmosferos sąlygos veikia RF galios stiprintuvų našumą?

Atmosferos sąlygos, tokios kaip lietaus slopinimas ir deguonies sugerties, gali paveikti signalo kokybę, todėl stiprintuvams reikia tiekti papildomą galią, kad būtų išlaikyta ryšio stabilumas, ypač aukšto dažnio juostose, tokiose kaip Ka-juosta ir Q-juosta.

Kokia yra P1dB kompresijos reikšmė RF stiprintuvuose?

P1dB kompresija yra taškas, kuriame stiprintuvas pradeda rodyti netiesinį elgesį, dėl kurio kyla iškraipymai. Svarbu dirbti žemiau P1dB, kad būtų išvengta kompresijos ir išlaikyta gera signalo kokybė.

Kaip terminio valdymo kokybė veikia RF stiprintuvų patikimumą?

Tinkamas terminis valdymas yra svarbus RF stiprintuvų tarnavimo laikui pratęsti. Neefektyvi šilumos išsisklaidymo sistema gali sukelti greitesnį nusidėvėjimą ir sumažinti patikimumą, todėl reikia naudoti pažengusias aušinimo technologijas, tokias kaip skysčio aušinimas aukštos galios tankio komponentams.

Kodėl svarbu rinktis tarp TWT ir GaN stiprintuvų?

Pasirinkimas tarp bėgimo bangos vamzdžio (TWT) ir galio nitrino (GaN) stiprintuvų priklauso nuo konkrečių aplikacijų reikalavimų. TWT naudojami aukštos galios ir platųjuosius dažnius reikalaujančiose sistemose, tuo tarpu GaN stiprintuvai išsiskiria efektyvumu ir vietos taupymu žemesnių dažnių ir mobiliems sprendimams.