Pagrindiniai reikalavimai renkantis RF galios stiprintuvus pagal poreikius

Dažnių diapazonas ir pralaidumo juosta: RF galios stiprintuvų suderinimas su signalo reikalavimais

Kaip dažnių diapazonas nulemia stiprintuvo suderinamumą

RF stiprintuvai veikia geriausiai, kai dirba tam tikruose dažnių diapazonuose, dažniausiai nuo maždaug 1 MHz iki 6 GHz daugelyje komercinių sistemų. Pernai atlikti tyrimai parodė ir kažką įdomaus: maždaug 6 iš 10 atvejų, kai belaidės technologijos sugadina signalus, iš esmės susiję su stiprintuvo atitikimu reikiamam dažniams, ypač kraštinėse diapazono srityse. Imkime 5G NR sistemas kaip pavyzdį. Šioms sistemoms reikia apimti 3,4–3,8 GHz juostą, todėl stiprintuvui reikia aptarnauti visą šią juostą be didelio išvesties galios svyravimo (pageidautina, kad skirtumas būtų ne didesnis nei ±0,5 dB per visą juostą). Kitu atveju našumas tiesiog nebus pakankamai patikimas realiems projektams.

Prasmės tarp juostos pločio ir signalo tikslumo

Prieinamojo juostos pločio kiekis tikrai daro įtaką tam, kaip gerai signalo moduliacija išlieka nepažeista perduodant. Kai stiprintuvai nukrenta žemiau 120 MHz ribos, jie linkę sukelti apie 30 % daugiau vektorinės paklaidos problemų, kai apdoroja sudėtingus 256-QAM signalus. Tai daro didelę įtaką, jei lyginame su platesniais 400 MHz dizainais. Svarba dar labiau padidėja OFDM sistemose, tokiose kaip naujesnis Wi-Fi 6E standartas. Šios sistemos reikalauja, kad juostos plotis dažnai būtų virš 160 MHz bet kuriuo metu, kad simboliai vienas kitam netrukdytų ir kartu išlaikytų greitą duomenų perdavimo spartą per tinklus.

Atvejo analizė: Plačios juostos stiprintuvai daugiaprotokolių bazinių stočių sistemose

2023 m. buvo atlikti tyrimai 4G ir 5G bazinių stočių srityje, kurie atskleidė įdomių duomenų apie plačiaposlio RF stiprintuvų naudingumą. Kai šie įrenginiai apėmė dažnius nuo 1,7 iki 4,2 GHz, jie iš tikrųjų sumažino energijos suvartojimą maždaug 18 procentų lyginant su keliais atskirais siauraposlio komponentais. Dar geriau – jų našumas. Stiprintuvai išlaikė įtampos stovinčiosios bangos santykį žemiau 2,5:1 tiek 2,3 GHz (LTE Banga 40), tiek 3,5 GHz (5G n78). Toks našumas leidžia efektyviai naudoti šiuos stiprintuvus operatorių agregavimo konfigūracijose ir sumažina būtinybę diegti įrangą, veikiančią skirtingomis ryšių standartais.

Strategija: Sinchronizuoti dažnį ir juostą su moduliacija ir kanalo reikalavimais

1. Dažnių aprėptis : Pasirinkite stiprintuvus, turinčius bent 15 % ribą virš aukščiausio reikalingo dažnio
2. Juostos paskirstymas : Naudokite formulę užimta juosta = kanalo žingsnis × (1 + nuobėgimo faktorius) norėdami nustatyti minimalius juostos reikalavimus
3. Moduliacijos jautrumas : Pirmenybę teikite stiprintuvams su TOI (trečios eilės užfiksavimas) >35 dBm 64-QAM ir aukštesnės eilės moduliacijoms

Sistemos architektai turėtų patikrinti, ar stiprintuvai atitinka spektrinės kaukės reikalavimus, ypač ACLR licencijuotuose diapazonuose, kad būtų išvengta interfencijos ir reglamentinių problemų.

Išvesties galia ir tiesiškumas: balansas tarp našumo ir signalo vientisumo

Suprasti 1 dB kompresijos tašką ir stiprintuvo atsargas

1 dB kompresijos taškas, dažnai vadinamas P1dB, esminis rodo, kada RF stiprintuvas pradeda prarasti savo tiesinį našumą, kai stiprinimas nukrenta lygiai 1 dB žemiau nei turėtų būti. Kai mes viršijame šį slenkstį, dalykai pradeda iškraupinėti, todėl inžinieriai paprastai palieka apie 3–6 dB papildomą vietą radariniuose sistemose, kad galėtų susidoroti su periodiškai atsirandančiomis netikėtomis galios bangomis. Tai tampa labai svarbu signalams, turintiems didelį pikinį vidurkio santykį, tokiais kaip OFDM technologija. Šie signalai natūraliai sukuria didelius pikus, kurie gali lengvai stumti stiprintuvus į kompresijos sritį, nebent yra tinkama valdymo sistema, kad būtų išvengta tokio tipo signalų degradacijos.

Netiesiškumo poveikis sudėtingiems moduliavimo schemoms

Kai atsiranda netiesinis stiprinimas, tai labai trikdo EVM matavimus, ypač dėl šių dienų aukštesnių moduliacijos schemų, tokių kaip 256-QAM ir net 1024-QAM, moderniose 5G tinkluose ir Wi-Fi 6E įgyvendinimuose. Problema dar labiau pablogėja, kai tarpmoduliacijos produktai maišosi su harmoniniais iškraipymais, kurie iš esmės gali pakelti bitų klaidų rodiklį iki 40 % standartinėse 64-QAM sistemose. Laimei, šiuo metu rinkoje yra gana efektyvių sprendimų. Skaitmeniniai išankstinio iškraipymo metodai, sujungti su įtampos kompensavimo technikomis, parodė, kad jie efektyviai leidžia išlaikyti EVM lygmenis kontroliuojamame lygyje, daugeliu atvejų išlaikant juos žemiau 3 % ribos. Tie patys metodai taip pat užtikrina ACLR našumą virš 40 dBc, o tai yra būtina gamintojams, kad užtikrintų signalų skaidrumą ir patikimumą esant skirtingoms eksploataciniams sąlygoms.

Atvejo analizė: galios soties valdymas radarų ir 5G sistemose

Atlikdami 2023 m. pradžioje karinėje bazėje atliktus bandymus, mokslininkai pastebėjo, kad jų fazuotųjų antenų sistemų radaras, veikiamas 10 kilovatų galios impulsų, sukuria netikrus taikinius. Paaiškėjo, kad problema buvo stiprintuvo sotis, sukėlusi signalo iškraipymus. Prabėgus kelioms savaitėms, inžinierių komanda galiausiai išsprendė šią problemą, dinamiškai koreguodama poliarizaciją, kartu naudodama realaus laiko apkrovos koregavimo technikas, kurios sumažino nereikalingus signalus maždaug 18 decibelų. Analizuodami panašias problemas komercinėse srityse, telekomunikacijų įmonės taip pat pastebėjo pagerėjimą. Vienas didelis operatorius pranešė apie pagerėjusius našumo rodiklius 5G milimetrinių bangų bazinėse stotyse, kai jie atnaujino stiprintuvus į galio nitrino pagrindu sukurtus komponentus. Šie nauji komponentai jiems suteikė papildomą 30 procentų rezervą tiesinės veiklos diapazone, sumažindami kaimyninių kanalų nutekėjimo rodiklius nuo gana prastų -38 dBc iki daug geresnių -45 dBc reikšmių. Toks pagerėjimas yra labai svarbus, kad būtų išlaikytas švarus spektro panaudojimas per užtvenktas dažnių juostas.

Strategija: apskaičiuojant viršutinę galią CW, AM ir daugiakanalėms signalams

Šie skaičiavimai nukreipia galinės dalies pasirinkimą. Inžinieriai patvirtina tiesiškumą atlikdami dviejų tonų bandymus esant skirtingai temperatūrai (-40°C iki +85°C) ir tiekimo įtampai (±15%). Daugiau nei vieno nešlio LTE atveju užtikrinant, kad TOI >50 dBm, išlaikoma harmoninė klaida žemiau imtuvo jautrumo ribų.

Efektyvumas ir terminis valdymas: galios suvartojimo ir šilumos išsisklaidymo optimizavimas

Kompromisiniai efektyvumo, tiesiškumo ir galios suvartojimo santykiai

RF stiprintuvų projektavimas reiškia kompromisinį balansas tarp galios naudingumo (PAE), tiesiškumo ir šilumos kiekio, kurį jie generuoja. Paimkime, pavyzdžiui, D klases stiprintuvus. Jie pasiekia apie 85 % PAE dažniu, artimame 2,4 GHz, kas atrodo puikiai teoriškai. Tačiau yra viena problema, susiduriant su keliais nešėjais šiais laikais. Jų harmoniniai iškraipymai viršija -40 dBc pagal praeitų metų tarptautiniame elektronikos žurnale paskelbtus tyrimus. Kita vertus, AB klases modeliai išlaiko iškraipymus kontroliuojamą lygyje, geresniame nei -65 dBc. Tačiau jų naudingumo koeficientas krinta iki 45–55 % PAE, todėl gamintojams tenka naudoti didesnius šilumos atsivadavimo elementus, kad būtų galima valdyti papildomą šilumą. Tai ypač svarbu šiuolaikinėms 5G MIMO sistemoms, kur temperatūra vaidina labai svarbų vaidmenį. Tiesioginė temperatūros pakilimo operacijų temperatūroje vijuo Celsijaus laipsniu gali sutrumpinti tranzistorių eksploatacijos laiką nuo 8 iki 12 procentų. Tai daro įtaką projektavimui, kai šiluminiai aspektai tampa inžinieriams dirbantiems prie naujos kartos ryšių įrangos esminiu prioritetu.

Doherty ir klasės AB palyginimas: efektyvumas realiose RF galios stiprintuvų diegimo sąlygose

Bandymai mieste įrengtose 5G stotyse rodo, kad Doherty stiprintuvai suvartoja maždaug 12 procentų mažiau energijos lyginant su tradiciniais klasių AB sprendimais, kai yra apdorojami sudėtingi 64QAM OFDM signalai. Tačiau virš 6 GHz dažnių atsiranda problemų – šie Doherty dizainai generuoja apie 15 procentų daugiau tarpmoduliacinio iškraipymo, todėl operatoriams reikia papildomų iš anksto iškraipymo technikų kompensavimui. Atsižvelgiant į realius taikymus, 2023 metais buvo atlikta sėkminga implementacija Tokijuje naudojant Sub-6 GHz dažnių diapazoną. Sistema pasiekė įspūdingus našumo rodiklius – asimetriški Doherty stiprintuvai pasiekė beveik 58 procentų PAE efektyvumą ir tuo pačiu tiekė stabilų 41 dBm galios lygį per 100 MHz kanalus, išlaikydami klaidų vektorinę amplitudę kontroliuojamame 3,2 procentų lygyje.

Aktyvus ir pasyvus aušinimas aukštos galios RF stiprintuvų sistemose

Aliuminio nitrido substratai gerai veikia pasyviai aušinant, apdorojant apie 18 vatų kvadratiniame centimetre, nors jie pradeda kelti problemų, kai aplinkos temperatūra pakyla virš 70 laipsnių Celsijaus. Įvertinus aktyvius skysčio aušinimo sprendimus, apie kuriuos kalbėta naujuose šilumos valdymo tyrimuose tankiems elektronikos sistemoms, jie gali padidinti našumą iki 32 vatų kvadratiniame centimetre ir sumažinti šilumos pasipriešinimą maždaug 40 procentų lyginant su tradiciniais metodais. Oro erdvės kontekste, kur naudojami GaN-on-SiC stiprintuvai, inžinieriai dažnai derina mikrokanalų šilumos keitiklius su kruopščiai valdomais oro srautais, kad išlaikytų kritiškai svarbias sandūros temperatūras žemiau 150 laipsnių Celsijaus net ilgalaikės veiklos be gedimų metu.

Strategija: Kompaktiškų aušinimo sprendimų kūrimas neprarandant efektyvumo

Yra trys požiūriai, kurie leidžia optimizuoti šilumos valdymą erdvėje ribotose aplinkose:

1. Fazės pokyčių medžiagos : Per trumpalaikius energijos šuolius sugeria 300–400 kJ/m³, idealiai tinka radarinių impulsų panaudojimams
2. Diamanto kompozitai : Siūlo 2000 W/m·K šilumos laidumo RF išvesties etapuose
3. 3D spausdintos mikrokanalų struktūros : Padidina paviršiaus plotą 8 kartus esamuose gabarituose

2023 m. prototipas, integruojantis šias technikas, pasiekė 92 % stiprintuvo naudingumo koeficiento 28 GHz dažniu su ±2°C temperatūros stabilumu esant kintamai apkrovai. Ankstesnis šiluminių-elektrinių sąveikų modeliavimas padeda išvengti efektyvumo nuostolių dėl temperatūros priklausomų impedanso poslinkių.

Signalo grynumas ir stabilumas: užtikrinant tiesiškumą ir impedanso priderinimą

Palaikant signalo vientisumą RF galios stiprintuvuose reikia tiksliai kontroliuoti tiesiškumą ir impedanso priderinimą.

Trečios eilės perėmimo taškas ir tarpmoduliacinės iškraipymai daugiakanalėse sistemose

Trečios eilės perėmimo taškas arba IP3 yra pagrindinis matas, kuris nulemia, kaip stiprintuvai veikia ten, kur yra keli nešėjai. Kai sistemos valdo keturis ar net daugiau nešėjų, jos gali susidurti su maždaug 15 dB sumažėjimu signalo ir triukšmo santykiu, jei veikia arti kompresijos lygio, pagal 2022 m. 3GPP tyrimą. IP3 našumo padidinimas apie 6 dB sumažina erzinančius spektrinius išmetimus maždaug 40 procentų LTE Advanced Pro baziniuose stočių. Tai leidžia efektyviau panaudoti spektrą per šias tinklus.

Aukštesniųjų harmonikų slopinimas ir triukšmo koeficiento svarstymas

Palydovinės ryšių stiprintuvai reikalauja antrosios ir trečiosios harmonikų slopinimo žemiau -50 dBc, kad būtų išvengta trukdžių kaimyninėse juostose. Pažengusios filtravimo topologijos pasiekia tai, pridedant mažiau nei 1 dB triukšmo koeficientui ir išlaikant 85 % PAE – kritiškai svarbu jautriems pritaikymams, tokiems kaip radariniai aukštimetrai ir LEO palydovų siųstuvai.

Impedanso pritaikymas maksimaliai galios perdavimui ir grandinės stabilumui

Impedanso neatitikimai, viršijantys 1,2:1 VSWR, sukelia 12 % galios nuostolių ir transistoro pažeidimo pavojų stiprintuvuose su didelės galios. Naujausios pažangos adaptuojamuose pritaikymo tinkluose naudoja perkonfigūruojamus mikrojuostos balunus, kad būtų pasiektas 97 % galios perdavimo efektyvumas 600 MHz–3,5 GHz diapazone, pagerinant platjuosčių sistemų našumą ir patikimumą.

Strategija: vengti signalo atspindžio ir osciliavimo platjuosčių konstrukcijų metu

Trijų etapų stabilumo patvirtinimo procesas:

1. Modeliuoti S parametrus visame darbo dažnių diapazone
2. Integruoti feritinius izoliatorius, kad būtų pasiekiama daugiau nei 20 dB atvirkštinė izoliacija
3. Taikyti dažnio selektyvią neigiamą varžos kompensaciją

Bandymų metu šis metodas sumažino stovinčiosios bangos santykį 63 % C diapazono masinėse MIMO aktyviųjų antenų sistemose, reikšmingai pagerindamas signalo grynumą ir sistemos atsparumą.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kodėl svarbus dažnio diapazonas radio dažnio galios stiprintuvams?

Dažnių diapazonas nulemia, kiek stiprintuvas atitinka sistemos signalo reikalavimus. Tinkamas suderinimas yra svarbus, kad būtų išvengta signalo iškraipymų ir užtikrinta patikima veikla, ypač diapazono kraštuose.

Kaip pralaidumo juosta veikia signalo tikslumą?

Pralaidumo juosta daro įtaką stiprintuvų gebėjimui išlaikyti signalo moduliavimo vientisumą perduodant. Platesnė pralaidumo juosta padeda sumažinti klaidų vektorinio dydžio problemas, ypač svarbu sudėtingoms moduliacijoms, tokioms kaip 256-QAM.

Kokia yra 1 dB kompresijos taško reikšmė RF stiprintuvuose?

1 dB kompresijos taškas rodo lygį, kuriame stiprintuvas pradeda prarasti tiesiškumą, todėl kyla signalo iškraipymai. Inžinieriai dažniausiai palieka papildomą atsargą, kad būtų išvengta signalo degradacijos dėl netikėtų galios šuolių.

Kodėl tiesiškumas yra svarbus aukštesnės eilės moduliacijos schemose?

Tiesiškumas yra būtinas tam, kad palaikyti vektorinės klaidos dydį ir bitų klaidų rodiklius priimtinuose lygiuose aukštesnės eilės moduliacijos schemose, užtikrinant signalo patikimumą esant skirtingoms darbo sąlygoms.