Belangrijke overwegingen bij het kiezen van RF-versterkers voor uw behoeften

Frequentiebereik en band-specifieke eisen voor de prestaties van RF-versterkers

Inzicht in Ka-band, Q-band en mmWave-toepassingen in satcom, radar en EW-systemen

RF-versterkers worden tegenwoordig specifiek ontworpen voor bepaalde frequentiebereiken zoals Ka-band (26,5 tot 40 GHz), Q-band (33 tot 50 GHz) en mmWave (30 tot 300 GHz), omdat deze banden verschillende behoeften dekken binnen satellietcommunicatie, radarsystemen en elektronische oorlogvoering. De Ka-band biedt een goede balans tussen beschikbare bandbreedte en de mate waarin signalen door de atmosfeer kunnen dringen, wat verklaart waarom deze zo populair is voor satellietverbindingen met een hoge capaciteit. Bij mmWave-frequenties komt echter iets anders aan de orde. Deze hogere frequenties maken uiterst snelle reactietijden mogelijk die nodig zijn voor de backbone van 5G-netwerken en militaire sensornetwerken van de nieuwste generatie. Een recent rapport van de International Telecommunication Union merkt op dat waterdamp in vochtige lucht bij 60 GHz (wat men de V-band noemt) de signaalsterkte kan verlagen met wel 15 decibel per kilometer. Een dergelijk verlies benadrukt sterk waarom ingenieurs hun werkfrequenties zorgvuldig moeten kiezen bij de opzet van deze systemen in reële omgevingen.

Atmosferische dempingseffecten en hun invloed op RF-vermogenuitgangsnodzaak

Weersomstandigheden zoals regenverzwakking en zuurstofabsorptie verstoren de signaalkwaliteit behoorlijk wanneer hoge frequentiebanden worden gebruikt. Neem bijvoorbeeld de Ka-band - tijdens stormen kan het signaalverlies meer dan 5 dB per kilometer bedragen. Dat betekent dat versterkers ongeveer 20% extra vermogen moeten leveren om de verbindingen stabiel te houden. Het wordt nog lastiger bij Q-band radarfrequenties rond de 47 GHz, waarbij de atmosfeer het signaal zo sterk verstrooit dat het detectiebereik soms bijna gehalveerd wordt. Kustgebieden of plaatsen met veel vocht zijn bijzonder uitdagend. De meeste ingenieurs bouwen extra versterkercapaciteit in, doorgaans tussen 30 en 50%, omdat deze omstandigheden zo vaak voorkomen. Recente tests met millimetergolfapplicaties bevestigen dit en laten zien waarom het plannen voor het ergste scenario in de praktijk zinvol is.

Versterkerbandbreedte afstemmen op systeem signaalpropagatie-eisen

Het precies goed krijgen van de bandbreedte maakt echt een verschil in hoe goed systemen presteren als geheel. Neem bijvoorbeeld een Ku-band satellietverbinding die werkt tussen 12 en 18 GHz. Als er ongeveer 500 MHz bandbreedte nodig is, dan moeten we absoluut beschikken over versterkers die stabiel blijven binnen een frequentietolerantie van plus of min 2 procent. Anders zouden die signalen namelijk kunnen interfereren met aangrenzende kanalen. Beschouw nu eens systemen voor elektronische oorlogvoering zoals jamming-systemen, waarbij de zaken nog veel complexer worden. Deze opstellingen hebben vaak te maken met bandbreedtes van meer dan 2 GHz, waardoor zij sterk afhankelijk zijn van op galliumnitride gebaseerde versterkers die een constante versterking behouden over hun gehele werkgebied, meestal binnen een variatie van een halve decibel. Ingenieurs gebruiken regelmatig load-pull-methoden om de impedantieaanpassingsparameters verder te verfijnen. Dit helpt om signaalreflectie onder de -15 dB drempel te houden en komt in de buurt van dat ideale punt van ongeveer 95 procent vermogensoverdrachtefficiëntie, wat erg belangrijk is voor moderne phased array radarinstallaties.

Uitgangsvermogen, Signaaltype en Lineariteit: Het Beheren van de Peak-to-Average Power Ratio en P1dB-compressie

Het Berekenen van de Piekmachtwisseling voor CW-, AM- en Complex Gemoduleerde Signalen

Bij het werken met continue golf (CW)-signalen en amplitudemodulatie (AM)-signalen komt het piekvermogen overeen met het gemiddelde vermogenniveau. Dit maakt het veel eenvoudiger om te bepalen welke versterkergrootte we nodig hebben. Maar het wordt complexer wanneer we te maken hebben met geavanceerdere modulatieschema's zoals 64QAM of OFDM. Deze signalen veroorzaken allerlei vermogensfluctuaties vanwege hun piek-tot-gemiddeld vermogensverhouding (PAR). Neem bijvoorbeeld 64QAM, waarbij de PAR doorgaans rond de 3,7 dB ligt. Dan heb je nog OFDM, waarbij de PAR zelfs boven de 12 dB kan komen. Daardoor moeten versterkers minstens 6 dB onder hun maximale capaciteit werken als we enige vorm van signaalvervorming willen voorkomen. Het juiste hoeveelheid reserveruimte (headroom) kiezen is cruciaal voor het behouden van een goede signaalkwaliteit in alles, van radarsystemen tot satellietcommunicatie, en nu ook met de implementatie van 5G-netwerken.

De rol van PAR en crestfactor bij de keuze van RF-versterkers

De PAR (piek-tot-gemiddelde verhouding) en de crestfactor, die in feite meet hoeveel het signaal piekt ten opzichte van het gemiddelde niveau, spelen een grote rol bij het bepalen hoe lineair en efficiënt een versterker zal zijn. Bij het werken met hoogfrequentsignalen hebben de meeste versterkers ongeveer 6 tot 7 dB headroom onder hun maximale uitgangscapaciteit nodig om die onvermijdelijke signalenpieken te kunnen beheren. Neem als voorbeeld een standaard 40 watt solid-state versterker. Als deze een signaal verwerkt met een crestfactor van 10 dB, dan kan deze technisch gezien slechts ongeveer 4 watt gemiddeld uitstoten voordat vervorming door compressie optreedt. Dit soort compromissen is eigenlijk geen optie, vooral niet bij moderne communicatiesystemen die strikt moeten voldoen aan spectrumregelgeving. Denk aan 5G-netwerken of elektronische oorlogvoeringssystemen waarbij frequenties voortdurend veranderen en signalen sterk variëren in intensiteit.

Vermijden van compressie en vervorming door onder de P1dB te werken

Wanneer een versterker haar 1 dB-compressiepunt, of kortweg P1dB, bereikt, dan beginnen de dingen niet-lineair te worden. Ga je voorbij deze drempel, dan treden er snel problemen op - we zien harmonische vervorming optreden samen met die vervelende intermodulatieproducten, wat allemaal leidt tot een slechtere signaalkwaliteit in het algemeen. Voor radarsystemen die werken met gepulste signalen, streven ingenieurs er meestal naar om ongeveer 3 tot 5 dB onder de P1dB-waarde te blijven. Maar bij complexere gemoduleerde signalen is meestal ongeveer 6 tot 10 dB extra ruimte nodig om veilig te zijn. Galliumnitrid-versterkers (GaN) zijn de laatste tijd erg populair geworden, omdat ze inderdaad veel hogere P1dB-niveaus bereiken in vergelijking met oudere Traveling Wave Tube (TWT)-technologie. Dit betekent dat ontwerpers met smaller marge voor lineariteit kunnen werken zonder concessies te doen aan de prestaties, wat erg waardevol is in toepassingen waarbij ruimte, gewicht en stroomverbruik het belangrijkst zijn.

Deze gestructureerde aanpak zorgt voor het optimale evenwicht tussen uitgangsvermogen, lineariteit en efficiëntie bij de inzet van RF-vermogensversterkers.

Efficiëntie-, versterkings- en lineariteitsafwegingen bij de ontwikkeling van hoogfrequente RF-vermogensversterkers

Het in balans brengen van efficiëntie en lineariteit in moderne RF-vermogensversterkers

Bij het ontwerpen van versterkers voor hoogfrequent RF-vermogen moeten ingenieurs efficiëntie afwegen tegen lineair vereisten. Klasse-EF-ontwerpen halen ongeveer 70 tot 83 procent drainrendement, terwijl ze die brede bandbreedtebereiken van 1,9 tot 2,9 GHz afdekken, en ze leveren bovendien meer dan 39,5 dBm uitgangsvermogen, volgens onderzoek dat vorig jaar werd gepubliceerd in Nature. Maar er is een addertje onder het gras voor systemen die OFDM- of QAM-modulatieschema's gebruiken, aangezien deze vrij strakke lineariteitscontrole vereisen om binnen de regelgevende limieten voor spectrum-emissies te blijven. Dat gaat echter meestal ten koste van het rendement, wat in de praktijk ongeveer 15 tot 20 procentpunten daalt. De meeste moderne implementaties gebruiken tegenwoordig adaptieve bias-technieken in combinatie met digitale predistortiemethoden om dit probleem te omzeilen. Deze aanpakken helpen om het vereiste prestatieniveau te behouden in verschillende toepassingen, waaronder 5G-infrastructuuraanleg en satellietcommunicatienetwerken, waar signaalintegriteit van groot belang blijft.

Winst en Ruisgetal in Gecascadeerde RF-systemen

In meervoudige RF-ketens hebben de cumulatieve winst en ruisgetal een kritieke invloed op de signaalkwaliteit. Elk stadium versterkt zowel het gewenste signaal als het ruis van eerdere componenten. Aangezien het eerste stadium overheerst in de algehele ruisprestaties, zijn laagruisversterkers (LNAs) essentieel in de ontvangerfront-ends.

Hoewel de PA-winst moet compenseren voor verliezen in de volgende stadia, brengt een te hoge winst het risico met zich mee dat de volgende stadia in compressie raken, waardoor de systeemlineariteit verslechtert.

Harmonische Onderdrukking en Signaalkwaliteit in Niet-lineaire Werkgebieden

Het laten lopen van stroom bij ampères die dicht bij het verzadigingspunt liggen verhoogt wel de efficiëntie, maar dit gaat ten koste van het genereren van meer harmonischen. De Class-EF-ontwerptoegang houdt hier rekening mee door gebruik te maken van speciale netwerken voor harmonische controle, waarmee vervelende harmonischen van de tweede tot en met de vijfde orde worden onderdrukt. Deze netwerken functioneren door impedanties op de juiste manier aan te passen, waardoor ongewenste emissies worden gereduceerd met ongeveer 25 tot 40 dBc vergeleken met wat we zien bij Class-F-configuraties. Het resultaat is dat deze ontwerpen een efficiëntie van meer dan 80% kunnen bereiken, zonder dat de benodigde signaalkwaliteit voor radar- en elektronische oorlogvoeringstoepassingen in het geding komt. Nog steeds belangrijk om te vermelden is dat ingenieurs op moeten letten voor mogelijke problemen met intermodulatievervorming bij het werken met meerdere draagfrequenties in niet-lineaire bedrijfssituaties. Enkele tests in de praktijk onthullen deze kwesties vaak voordat ze grote problemen veroorzaken in productiesystemen.

Thermisch beheer en SWaP-C optimalisatie bij de implementatie van RF-versterkers

Koelvereisten op basis van vermogensverlies en werktijd

Het goed uitwerken van de thermische constructie betekent dat deze moet worden afgestemd op hoe de apparatuur daadwerkelijk werkt en welk soort vermogen er wordt verbruikt. Neem bijvoorbeeld RF-versterkers die onafgebroken worden gebruikt in dingen zoals radarsystemen of die grote 5G-masten die tegenwoordig overal worden gebouwd. Deze apparaten zetten meestal de helft tot driekwart van hun ingangsvermogen direct om in warmte. Stel u nu iets voor als GaN-gebaseerde componenten waarbij de vermogensdichtheid boven de 3 watt per vierkante millimeter komt. Op dat niveau is normale luchtkoeling niet meer voldoende. Fabrikanten moeten dan overschakelen op gedwongen luchtkoeling of zelfs vloeistofkoelsystemen. En dan is er nog het probleem van extreme omgevingen. Satelliet-payloads worden vaak geconfronteerd met temperaturen variërend van min 40 graden Celsius tot wel plus 85. Dit soort temperatuurschommelingen heeft echt invloed op hoe effectief heatsinks werken en welke materialen ingenieurs moeten kiezen voor verschillende onderdelen. Thermische uitzetting wordt een belangrijke overweging bij de keuze van materialen voor dergelijke toepassingen.

Invloed van thermisch ontwerp op de langetermijnbetrouwbaarheid en stabiliteit

Slecht thermisch beheer versnelt echt de manier waarop componenten in de tijd verslijten. Sommige studies van IET Microwaves uit 2022 toonden aan dat versterkers ongeveer 40% minder lang kunnen meegaan wanneer zij constant hoge temperaturen worden blootgesteld. Daarom wenden ingenieurs zich tot materialen zoals aluminiumsiliciumcarbide (AlSiC). Deze materialen werken goed omdat zij uitbreiden met vergelijkbare snelheden als halfgeleiderdies wanneer zij worden verhit. Voor hen die te maken hebben met warmtetransferproblemen, maken thermische interface materialen met een geleidbaarheid boven 8 W/m K een groot verschil uit. Zij helpen de temperatuurverschillen tussen componenten te egaliseren, wat de vervelende hete plekken verminderd die daadwerkelijk problemen zoals intermodulatievervorming veroorzaken, met name in systemen die met meerdere signalen tegelijk omgaan.

Omgaan met beperkingen qua afmetingen, gewicht, vermogen en kosten (SWaP-C) in defensie- en commerciële systemen

Het leger heeft tegenwoordig versterkers nodig die meer dan 100 watt kunnen leveren, maar passen in een ruimte kleiner dan een halve liter. Dat is ongeveer 60 procent kleiner dan wat er eerder werd gebruikt. Voor commerciële 5G mMIMO-arrays zoeken bedrijven naar betaalbare opties, waarbij elke watt niet meer dan 25 cent kost om te produceren. Modulaire RF-ontwerpaanpakken stellen ingenieurs in staat om hun systemen uit te breiden naar verschillende frequenties, terwijl de vermogensefficiëntie boven de 90 procent blijft. Wat betreft luchtvaart-radarapplicaties, zorgt het overschakelen naar aluminium nitride-substraten voor een gewichtsreductie van ongeveer 35 procent vergeleken met traditionele materialen. Dit is erg belangrijk voor vliegtuigoperaties, waarbij elke extra pond het missiesucces negatief kan beïnvloeden.

TWT versus vaste stof (GaN) versterkers: technologievergelijking voor toepassingen met hoge frequentie

Prestatievergelijking: Traveling Wave Tube versus GaN RF-vermogensversterkers

Wat betreft krachtige mmGolf-toepassingen, behouden traveling wave tube (TWT)-versterkers hun waarde nog steeds, aangezien zij in staat zijn om boven de 30 GHz ongeveer 1 kW uitgangsvermogen te genereren, waarbij ongeveer de helft van de energie efficiënt wordt omgezet. Aan de andere kant bieden Galliumnitride (GaN)-halfgeleiderversterkers flinke voordelen bij lagere frequenties tussen 1 en 20 GHz, met een rendement van 60 tot 70%, terwijl ze veel minder ruimte innemen. Het leger verkiest TWT's voor brede banden elektronische oorlogssystemen die werken van 2 tot 18 GHz, maar recentelijk heeft GaN-technologie zich ook staande gehouden in satellietcommunicatie en 5G-backhaul-netwerken, waarbij momenteel bijna 40% bredere bandbreedte mogelijk is.

Levensduur, Bandbreedte en Rendement: Vacuümbuis versus Halfgeleidertechnologieën

De meeste TWT-versterkers werken doorgaans ongeveer 8.000 tot wel 15.000 uur voordat kathodevervuiling een probleem wordt. GaN-componenten kunnen daarentegen gemakkelijk meer dan 100.000 uur meegaan, mits ontwerpers de thermische beheersing goed aanpakken. Het verschil in vermogensdichtheid is ook behoorlijk significant. GaN biedt ongeveer 4 watt per millimeter, wat betekent dat componenten ongeveer 30 procent minder ruimte innemen dan traditionele TWT's, die slechts 10 watt per kubieke centimeter halen. Toch nog steeds belangrijk om te noemen is dat TWT-technologie een aanzienlijk voordeel behoudt wat betreft piekvermogen, met name voor Ka-band radarapplicaties, waarbij een soort van vijf tegen één-overheersing wordt behouden. Nog een groot voordeel van halfgeleideroplossingen is hun vermogen om harmonische vervorming te verminderen met ongeveer 12 decibel in niet-lineaire bedrijfsmodi. Dit maakt echt een verschil voor het behouden van schone signalen over meerdere kanalen in die complexe phased array-systemen.

Toepassingsgeschiktheid: Radar, Satcom- en elektronische oorlogvoeringssystemen

Voor toepassingen van lange-afstands-surveillance-radar die L- tot X-banden bestrijken, evenals satellietcommunicatiesystemen die minstens 200 watt uitgangsvermogen vereisen, blijven reizende golfbuisversterkers (TWT) de voor de hand liggende oplossing. Ondertussen hebben galliumnitride-versterkers tegenwoordig de meeste elektronische oorlogssystemen overgenomen. Deze GaN-componenten bieden tegelijkertijd een bandbreedte van 2 tot 6 gigahertz, wat ze uitstekend geschikt maakt voor systemen die snel van frequentie moeten kunnen wisselen. Bovendien verminderen zij de afmetingen, het gewicht en het stroomverbruik met ongeveer 60 procent vergeleken met traditionele technologie. Volgens recent militair onderzoek van vorig jaar slaagt jammingapparatuur die is gebouwd met GaN-onderdelen erin om de warmteopbouw ongeveer 40 procent te verminderen in vergelijking met vergelijkbare TWT-systemen, ook al behouden beide ongeveer hetzelfde niveau van signaalsterkte tijdens S-bandoperaties. Er zijn ook interessante ontwikkelingen gaande waarbij ingenieurs GaN-bestuurders combineren met TWT-eindtrappen voor Ka-band-missieleidingsapplicaties. Deze gemengde aanpak lijkt veelbelovend, omdat zij de energiebesparing van GaN combineert met de brute vermogenscapaciteiten die nodig zijn voor bepaalde high-performance-eisen.

Veelgestelde vragen: RF-vermogensversterkers

In welke frequentiebereiken werken RF-vermogensversterkers voor verschillende toepassingen?

RF-vermogensversterkers werken in frequentiebereiken zoals Ka-band (26,5 tot 40 GHz), Q-band (33 tot 50 GHz) en mmWave (30 tot 300 GHz), geschikt voor satellietcommunicatie, radarsystemen en toepassingen in de elektronische oorlogvoering.

Hoe beïnvloeden atmosferische omstandigheden de prestaties van RF-vermogensversterkers?

Atmosferische omstandigheden zoals regenverzwakking en zuurstofabsorptie kunnen de signaalkwaliteit beïnvloeden. Versterkers moeten extra vermogen leveren om de verbindingstabiliiteit te behouden, vooral in hoge frequentiebanden zoals Ka-band en Q-band.

Wat is het belang van P1dB-compressie in RF-versterkers?

P1dB-compressie is het punt waarop een versterker begint te vertonen niet-lineair gedrag, wat leidt tot vervorming. Het is belangrijk om onder P1dB te blijven werken om compressie te voorkomen en een goede signaalkwaliteit te behouden.

Hoe beïnvloedt thermisch beheer de betrouwbaarheid van RF-versterkers?

Een goede thermische beheersing is essentieel om de levensduur van RF-versterkers te verlengen. Ongeschikte warmteafvoer kan leiden tot versnelde slijtage en verminderde betrouwbaarheid, waardoor geavanceerde koeltechnieken zoals vloeistofkoeling nodig zijn voor componenten met een hoog vermogensdichtheid.

Waarom is de keuze tussen TWT- en GaN-versterkers belangrijk?

De keuze tussen Traveling Wave Tube (TWT) en Gallium Nitride (GaN) versterkers hangt af van de toepassingsbehoeften. TWT's worden verkozen voor hoge vermogen en brede bandbreedte, terwijl GaN-versterkers uitsteken in efficiëntie en ruimtebesparing voor toepassingen op lagere frequenties en met agiliteit.