RF stiprintuvai: technologijos ir našumas produktuose

Svarbus RF PA vaidmuo 5G ir naujos kartos belaidžių sistemų architektūroje

RF galios stiprintuvų supratimas ir jų funkcija signalų perdavime

RF galios stiprintuvai arba RF PA, kaip jie dažnai vadinami, yra svarbūs šių dienų belaidės technologijos komponentai, kurie priima silpnus radijo signalus ir sustiprina juos tiek, kad jie galėtų keliauti per ilgus atstumus ir net prasiskverbti pro kliūtis. Šie stiprintuvai palaiko signalus stiprius ir aiškius visų rūšių įrenginiuose, įskaitant 5G bokštus, dvipusiai ryšių palaikančius palydovus, taip pat visas tas mažas internetu jungiamas priemones, kurias nešiojamės. Įdomu tampa tada, kai pažvelgiama į milimetrinių bangų 5G dažnius tarp 24 ir 47 GHz, kurie praranda apie keturis kartus daugiau signalo stiprumo lyginant su senesnėmis sub 6 GHz juostomis. Tai daro stiprintuvų kokybę ypač svarbią, kad viskas veiktų tinkamai. Naujesnių RF PA modelių konstrukcija apima funkcijas, tokias kaip reguliuojami darbo režimai ir impedanso pritaikymas, kad galėtų tvarkingai dirbti esant skirtingoms apkrovoms ir neprarandant efektyvumo.

5G ir būsimų belaidžių tinklų poveikis RF PA paklausai

RF PA rinka visame pasaulyje prognozuojama augti 12,3 % CAGR iki 2030 m. (PwC 2023), kurią skatina 5G reikalavimai platjuosčiai veiklai, aukštam tiesiškumui ir energijos naudingumui. Pagrindiniai reikalavimai apima:

• Platjuostis veikimas : Palaikant 100–400 MHz kanalų pralaidumą 5G NR tinkluose
• Aukštas tiesiškumas : Iškraipymų sumažinimas 256-QAM ir masinio MIMO konfigūracijose
• Energetinis efektyvumas : Nuolatinės srovės energijos suvartojimo sumažinimas 30–50 % lyginant su 4G sistemomis

Operatoriai, diegiantys 3,5 GHz CBRS tinklus ir 28 GHz mmWave mažas ląsteles, vis labiau teikia pirmenybę GaN technologijos RF PA dėl jų geresnės galios tankio ir terminio atsparumo savybių.

RF priekinio krašto technologijos vystymasis mobiliųjų ir infrastruktūros aplikacijų srityse

Šiuolaikiniai RF priekinio krašto moduliai integruoja PA su triukšmo mažinimo stiprintuvais, filtrais ir jungikliais į vieno mikroschemos sprendimus, sumažinant užimamą plotą 60 % lyginant su diskrečiais dizainais. Ši integracija leidžia:

1. Mobilieji telefonai : Nešiojimą per 16+ dažnių juostų kompaktiškuose įrenginiuose
2. Atviri RAN sistemos : Programinės įrangos valdomas galios valdymas daugiau nei vieno tiekėjo O-RAN architektūrose
3. Palydovinė IoT : 20 dBm išvesties galia baterijomis maitinamuose terminaluose, skirtuose LEO palydovų ryšiui

Silicis izoliatoriuje (SOI) ir GaAs dominuoja išmaniuosiuose telefonuose naudojamų stiprintuvų rinkoje, tuo tarpu GaN ir LDMOS yra pageidautini infrastruktūros aplikacijoms virš 6 GHz, reikalaujančioms 10–100 W išvesties galios.

Gali Niitrido (GaN) revoliucija: padidinantis RF stiprintuvo efektyvumą ir galios tankį

Gali Niitrido (GaN) privalumai aukšto dažnio RF galios stiprinimo procese

Gali Niitridas, arba GaN, kaip jis dažniausiai vadinamas, šiuo metu yra pagrindinis medžiagos pasirinkimas aukštos dažnio RF galios stiprintuvams. Efektyvumo ir galios tankio pagerinimai yra gana nuostabūs, lyginant su senesnėmis technologijomis. Pažvelkite, ką GaN gali 5G mmWave juostose – šie stiprintuvai pasiekia apie 70% pridėtos galios efektyvumo, kas pagal 2023 metų Future Market Insights rinkos tyrimus viršija GaAs alternatyvas maždaug 40%. Kodėl taip atsitinka? Na, GaN turi šią plataus juostos savybę, leidžiančią sutalpinti daugiau galios mažesnėse vietose. Kalbame apie galios tankį nuo 8 iki 10 vatų milimetrui, lyginant su vos 1 iki 2 vatų milimetrui naudojant GaAs. Be to, GaN lieka stabilus net tada, kai temperatūra pakyla virš 200 laipsnių Celsijaus. Visos šios savybės daro GaN ypač tinkamą naudoti mmWave bazinėse stotyse, radarų įrenginiuose ir palydovinės ryšių sistemose, kur būtina išlaikyti vėsumą nekenkiant našumui.

GaN ir tradicinių medžiagų palyginimas: našumo lyginimas RF PA pritaikymuose

GaN pranoksta LDMOS ir GaAs pagal pagrindinius parametrus. Pavyzdžiui, GaN stiprintuvai 28 GHz 5G baziniuose stočių siūlo 3– kartus platesnį pralaidumą nei GaAs, mažinant komponentų skaičių 60 % masiniuose MIMO masyvuose.

Kaina ir našumas: GaN ir SiC aukštos galios RF sistemose

GaN ant silicio karbido pagrindų tikrai pranoksta įprastą GaN ant silicio, kai kalba eina apie šilumos laidumą – kalbame apie 350 W/mK palyginti su tik 170 W/mK silicio versijai. Tačiau čia yra viena problema. Šių SiC pagrindų gamyba kainuoja maždaug 30% brangiau, todėl jie dar nėra pradėti plačiai naudoti kasdienio vartojimo elektronikoje. Visgi karinėse ir kosmoso pramonėse kaina nėra tokia svarbi. Ten reikia aukščiausio našumo, o GaN/SiC kombinacijos suteikia būent tokį. Pvz., šie hibridiniai medžiagos gali padidinti elektroninio karo sistemų perdavimo diapazoną beveik perpus, tuo pačiu reikalaujant tik pusę aušinimo įrangos. Tačiau situacija kiek kinta. Per pastaruosius kelis metus pagerėjo būdai, kaip auginamos šios medžiagos sluoksnis po sluoksnio, pamažu padidinant gamybos išeigą. Nuo 2020 metų gamintojai pažymėjo, kad jų sėkmės rodikliai kasmet auga apie 15%, pamažu mažėjant kainų skirtumui tarp šių aukšto našumo variantų ir jų pigesnių atitikmenų.

Energijos vartojimo efektyvumas ir tiesiškumas: pagrindiniai RF stiprintuvų dizaino pasiekimai

Puslaidininkių inovacijos, skatinančios energijos taupymą RF stiprintuvų grandinėse

Naujausi pasiekimai platiapjuosčių medžiagų srityje, tokiose kaip galio nitradas (GaN) ir silicio karbidas (SiC), tikrai pagerina radijo dažnio galios stiprintuvų našumą. Naujausi GaN stiprintuvai pasiekia nuostabų naudingumo lygį – nuo 70 iki 83 procentų droselio efektyvumo per platų pralaidumo juostą. Tai įvyksta todėl, kad inžinieriai išmoko kontroliuoti harmonikas, kurios sumažina įtampos ir srovės bangų formų persidengimą. Palyginti su tradiciniais silicio sprendimais, šie nauji dizainai sumažina švaistomą galią beveik dvigubai, o tai ypač svarbu 5G infrastruktūrai, kur šilumos valdymas ir energijos kaina yra pagrindinės problemos. Paimkime, pavyzdžiui, Class-EF galios stiprintuvą – jis išlaiko nuoseklų išvesties galią virš 39,5 dBm dėl išmanios daugelio harmonikų derinimo technikų, kurios išgauna kiekvieną galimą efektyvumo procentą iš sistemos.

Skaitmeninis iškraipymas (DPD) gerinti tiesiškumui ir energijos naudingumo koeficientui

Moduliavimo schemos, tokios kaip 256-QAM, kurios nėra nuolatinio apvalkalo, reikalauja labai gerų tiesiškumo savybių iš radijo dažnio galios stiprintuvų. Kokia išeitis? Skaitmeninis iš anksto iškraipymo technologija veikia iškraipydama įvesties signalus dar prieš juos praleidžiant per stiprintuvą, naudodama grįžtamąjį ryšį realiu laiku. Ši metodika gali padidinti ACLR našumą nuo 8 iki 12 decibelų naujuose 5G masinio MIMO sprendimuose. Ką tai praktiškai reiškia? Galios stiprintuvai vis dar gali pasiekti daugiau nei 65 % PAE efektyvumą, kai apdoroja platų 100 MHz OFDM signalus. Taigi inžinieriai gauna tiek geresnį spektro panaudojimą, tiek priimtiną energijos suvartojimą vienu metu, kas yra itin svarbu šiuolaikinėje belaidėje infrastruktūroje.

Mažėjimo ir atsakingo RF galios stiprintuvų kūrimo tendencijos

Mažėjimas ir atsakingumas skatina inovacijas RF PA dizaine per:

• Monolitinės mikrobangų integrinės grandinės (MMIC) integruojant GaN stiprintuvus su pasyviais komponentais, plokštės vietos sumažinimas 60%
• Dirbtinio intelekto pagrįsta terminė optimizacija, pratęsianti komponentų tarnavimo laiką 30% prognostinės apkrovos valdymo sistema
• Perdirbami substratai, sumažinantys RF moduliuose sukauptą energiją 22%

Šie sprendimai leidžia padidinti kanalų tankį urbanizuotose 5G sistemose, kartu atitinkant tarptautinius taršos rodiklius. Pažengusi konstrukcija ir skaitmeninės dvynių technologijos leidžia 40 % pagreitinti darnaus prototipavimo procesą.

Termo valdymo ir galios tankio problemos aukšto našumo RF stiprintuvuose

Termo valdymo sprendimai aukšto galios tankio RF stiprintuvams

Kai galios tankis viršija 5 vatų kvadratiniame milimetre aukštos kokybės RF galios stiprintuvuose, šilumos valdymas tampa viena didžiausių galvos skausmų kūrėjų. Tokios medžiagos kaip galio nitradas ir silicio karbidas iš tikrųjų šildo apie 30 procentų geriau nei senesnės puslaidininkių galimybės. Tai taip pat daro didelį skirtumą, nes gali sumažinti sandūros temperatūrą maždaug 40 laipsnių Celsijaus, kai yra naudojamos mobiliojo ryšio bokštų įrangoje. Šilumos inžinieriai dabar kreipiasi į kelis skirtingus metodus, įskaitant daugiapakslės sąsajos medžiagas, mikrokanalų šilumos keitiklius ir net skysčio aušinimo sistemas, kad galėtų susidoroti su tokia intensyvia šilumos perdavimo srove, kuri kartais pasiekia daugiau nei 1 kilovatą kvadratiniame centimetre. Paimkime, pavyzdžiui, deimantinius pagrindus – jie parodė pagerinimus maždaug 22 procentais, kaip gerai pasipriešina šilumos kaupimuisi, ypač milimetrinių bangų stiprintuvo modulių konstrukcijose.

Dabartinėje 5G masinės MIMO technologijos fazės keitimo medžiagos ir adaptacinės aušinimo sistemos yra būtinos, kadangi temperatūros ciklai sukelia 58 % gedimų (Ponemon, 2023 m.).

RF stiprintuvo darbo našumas esant terminiam poveikiui: patikimumas ir stabilumas

Kai terminis poveikis veikia RF galios stiprintuvus, įprastai pastebime, kad tiesiškumas sumažėja nuo 15 iki 20 procentų, kai kanalo temperatūra pakyla virš 175 laipsnių Celsijaus. Ši problema labai trikdo vektorinės paklaidos matavimus 64-QAM OFDM signalams ir gali sumažinti 5G duomenų perdavimo spartą net 30 procentų per užimtumo laikotarpį. Inžinieriai šią problemą sprendžia integruodami skaitmeninio iškraipymo mažinimo technikas kartu su realaus laiko temperatūros kompensavimo sistemomis. Šios kombinuotos priemonės padeda išlaikyti kaimyninių kanalų nutekėjimo santykį kontroliuojamame lygyje, paprastai išlaikant jį gerokai žemiau kritinio -50 dBc slenksčio, net kai temperatūros pradeda kisti neprognozuojamai esant skirtingoms eksploatacijos sąlygoms.

Pagrindiniai patikimumo standartai dabar apima:

• 100 000+ terminių ciklų automobilių radarų moduliuose
• <0,5 % efektyvumo nuokrypio per 1 000 eksploatacijos valandų
• 95 % našumo aukštoji temperatūros eksploatacijos gyvavimo (HTOL) testuose

AI-įgalinta terminė modeliavimo technologija užtikrina 99,99 % stabilumą 28 GHz spindulių formavimo masyvuose, net esant aplinkos temperatūrai 55 °C.

DAK

Kokia yra RF galios stiprintuvų vaidmuo 5G tinkluose?

RF galios stiprintuvai padidina silpnus radijo signalus, kad būtų užtikrintas stiprus ir aiškus ryšys per 5G tinklus, leidžiant efektyviai perduoti informaciją per ilgesnius atstumus ir pro kliūtis.

Kodėl GaN yra teisiamas pirmiau už kitus medžiagas RF stiprinimui?

GaN siūlo geresnį našumą, galios tankį ir terminę stabilumą lyginant su tradicinėmis medžiagomis, tokiose kaip GaAs ir LDMOS, todėl jis idealiai tinka aukštos dažnio programoms, tokioms kaip 5G baziniai tinklai ir radarų sistemos.

Kaip lyginasi GaN ir SiC substratai aukštos galios RF sistemose?

GaN ant SiC substratų užtikrina geresnį šilumos laidumą lyginant su GaN ant silicio, tačiau gamybos kaina yra aukštesnė. Tačiau našumas kariniuose ir kosminiuose pritaikymuose viršija kainos faktorių.

Kokie pasiekimai daromi RF stiprintuvų dizaine siekiant energijos vartojimo efektyvumo?

Nauji puslaidininkų inovacijos, įskaitant GaN ir SiC medžiagas, padeda valdyti harmonikas ir mažinti energijos švaistymą, svarbu 5G infrastruktūrai.

Kaip inžinieriai sprendžia šilumos valdymo problemas aukštos galios RF stiprintuvuose?

Inžinieriai naudoja pažengusias šilumos valdymo technologijas, tokias kaip daugiapakės medžiagos, mikrokanalų šilumos mainikliai ir skysčio aušinimo sistemos, kad galėtų valdyti aukštą šilumos tankį RF stiprintuvuose.