Основні фактори вибору підсилювачів потужності ПХ для потреб

Діапазон частот і специфічні вимоги для характеристик підсилювача потужності НВЧ

Ознайомлення з Ka-діапазоном, Q-діапазоном і міліметровим діапазоном у системах супутникового зв'язку, радіолокації та електронної боротьби

Сьогодні підсилювачі радіочастотної потужності створюються спеціально для певних діапазонів частот, таких як Ka-діапазон (26,5–40 ГГц), Q-діапазон (33–50 ГГц) та мм-хвилі (30–300 ГГц), тому що ці діапазони забезпечують різні потреби в системах супутникового зв’язку, радіолокаційних системах та засобах електронної боротьби. Ka-діапазон забезпечує добрий компроміс між доступною смугою пропускання та здатністю сигналів проникати крізь атмосферу, саме тому він настільки популярний для високопродуктивних супутникових з’єднань. Але перехід до частот мм-хвиль додає ще більше можливостей. Ці більш високі частоти дозволяють досягти надзвичайно швидкої швидкодії, необхідної для магістральних мереж 5G та сучасних військових сенсорних систем. Останній звіт Міжнародного союзу електрозв’язку зазначає, що на частоті 60 ГГц (так званий V-діапазон) водяна пара вологого повітря може суттєво послаблювати потужність сигналу — до 15 децибел на кілометр. Такий рівень втрат переконливо пояснює, чому інженерам потрібно уважно обирати робочі частоти під час налаштування цих систем у реальних умовах.

Атмосферні ефекти згасання та їх вплив на потреби вихідної потужності РЧ

Метеорологічні умови, такі як зменшення сигналу від дощу та поглинання киснем, серйозно впливають на якість сигналу при використанні високочастотних діапазонів. Візьмемо, наприклад, Ka-діапазон — під час гроз втрати сигналу можуть перевищувати 5 дБ на кілометр. Це означає, що підсилювачам потрібно видавати приблизно на 20% більше потужності, щоб просто підтримувати стабільні з'єднання. Ситуація стає ще складнішою на радіочастотах Q-діапазону, близьких до 47 ГГц, де атмосфера настільки розсіює сигнали, що іноді скорочує дальність виявлення майже вдвічі. Приморські райони або місцевості з високою вологістю є особливо складними. Більшість інженерів закладають додаткову ємність підсилювачів, зазвичай від 30 до 50%, адже такі умови є дуже поширеними. Останні тести з використання міліметрових хвиль підтверджують це, демонструючи, чому планування на найгірші сценарії є доцільним на практиці.

Узгодження смуги пропускання підсилювача з вимогами системи до поширення сигналу

Правильна ширина смуги пропускання суттєво впливає на загальну продуктивність систем. Візьмемо, наприклад, супутникове з'єднання у діапазоні Ku (12–18 ГГц). Якщо потрібно забезпечити смугу пропускання близько 500 МГц, підсилювачі мають залишатися стабільними в межах ±2% від частотного діапазону. У протилежному випадку сигнали можуть заважати сусіднім каналам. Розглянемо системи радіоелектронної боротьби, де ситуація ще складніша. Ці системи часто використовують смугу ширше 2 ГГц, тому вони значною мірою покладаються на підсилювачі на основі нітриду галію, які забезпечують стабільний коефіцієнт підсилення на всьому діапазоні роботи, зазвичай з відхиленням менше ніж півдекабела. Інженери часто застосовують методи навантажувального підлаштування для точного налаштування параметрів узгодження імпедансу. Це дозволяє знизити відбиття сигналу до рівня нижче -15 дБ і досягти майже 95% ефективності передачі потужності, що має велике значення для сучасних радіолокаційних систем із фазованими антенними решітками.

Вихідна потужність, тип сигналу та лінійність: управління коефіцієнтом пікової до середньої потужності та стиснення P1dB

Розрахунок вимог до пікової потужності для неперервних, амплітудно-модульованих та складно-модульованих сигналів

При роботі з неперервними (CW) сигналами та амплітудно-модульованими (AM) сигналами, пікова потужність практично відповідає середньому рівню потужності, що значно спрощує визначення необхідного розміру підсилювача. Але ситуація ускладнюється при використанні більш складних схем модуляції, таких як 64QAM або OFDM. Ці сигнали викликають значні коливання потужності через їхнє співвідношення пікової та середньої потужності (PAR). Наприклад, у 64QAM типове значення PAR становить приблизно 3,7 дБ. У випадку OFDM цей показник може перевищувати 12 дБ. Через це підсилювачі мають працювати принаймні на 6 дБ нижче їхнього максимально можливого рівня, щоб уникнути спотворення сигналу. Правильний розрахунок запасу потужності є критично важливим для забезпечення якості сигналу в системах радіолокації, супутникового зв’язку, а також у сучасних мережах 5G.

Роль PAR та коефіцієнта піку в виборі ВЧ-підсилювачів

ПАР (співвідношення пікового та середнього рівня) та коефіцієнт амплітуди, який по суті вимірює, наскільки сигнал має піки порівняно зі своїм середнім рівнем, відіграють важливу роль у визначенні ступеня лінійності та ефективності підсилювача. Працюючи з високочастотними сигналами, більшість підсилювачів потребують приблизно 6–7 дБ запасу потужності нижче їхнього максимального вихідного рівня, щоб просто впоратися з неминучими піками сигналу. Візьмімо, наприклад, стандартний транзисторний підсилювач потужністю 40 Вт. Якщо він обробляє сигнал з коефіцієнтом амплітуди 10 дБ, то теоретично може видає лише приблизно 4 Вт середньої потужності, перш ніж виникне ризик спотворення через ефекти стиснення. Такий компроміс насправді не є вибором, особливо при роботі з сучасними системами зв'язку, які вимагають суворого дотримання норм використання спектру. Подумайте про мережі 5G або електронні засоби ведення війни, де частоти постійно змінюються, а сигнали суттєво відрізняються за інтенсивністю.

Уникнення стиснення та спотворення шляхом роботи нижче P1dB

Коли підсилювач досягає свого коефіцієнта стиснення на 1 дБ або P1dB, коротко кажучи, ось тут і починається нелінійність. Якщо перевищити цей поріг, проблеми виникають дуже швидко — з'являється гармонійна нелінійність разом із неприємними продуктами інтермодуляції, що в кінцевому підсумку призводить до погіршення загальної якості сигналу. Для радарних систем, що працюють з імпульсними сигналами, інженери, як правило, прагнуть залишатися приблизно на 3–5 дБ нижче позначки P1dB. Але якщо мова йде про більш складні модульовані сигнали, зазвичай потрібно ще приблизно 6–10 дБ додаткового запасу, щоб бути в безпеці. Підсилювачі на нітриді галію (GaN) останнім часом набули широкої популярності, тому що насправді досягають набагато більших рівнів P1dB порівняно зі старішою технологією ламп біжучої хвилі (TWT). Це означає, що конструктори можуть працювати з меншими запасами лінійності, не жертвууючи продуктивністю, що є надзвичайно важливим у застосуваннях, де мають значення простір, вага та енергоспоживання.

Цей структурований підхід забезпечує оптимальний баланс між вихідною потужністю, лінійністю та ефективністю в розгортанні підсилювачів потужності РЧ.

Компроміс між ефективністю, коефіцієнтом підсилення та лінійністю в проектуванні високочастотних радіочастотних підсилювачів потужності

Балансування ефективності та лінійності в сучасних радіочастотних підсилювачах потужності

Під час роботи з підсилювачами потужності високочастотного діапазону інженери мають забезпечити баланс між ефективністю та вимогами лінійності. Конструкції класу EF демонструють приблизно 70–83% ефективність перетворення енергії, охоплюючи широкий діапазон частот від 1,9 до 2,9 ГГц, а також забезпечують вихідну потужність понад 39,5 дБм, згідно з дослідженням, опублікованим у журналі Nature минулого року. Проте існує певна складність для систем, що використовують модуляцію OFDM або QAM, адже вони потребують дуже точного контролю лінійності для дотримання регуляторних обмежень щодо випромінювання в ефір. Зазвичай це досягається за рахунок певних втрат, зменшуючи ефективність на практиці приблизно на 15–20 відсоткових пунктів. Більшість сучасних рішень тепер включають адаптивні методи зміщення, поєднані з цифровими методами попередньої корекції спотворень, щоб подолати це обмеження. Такі підходи допомагають зберігати необхідний рівень продуктивності в різноманітних застосуваннях, зокрема в інфраструктурі 5G та супутникових комунікаційних мережах, де особливо важливо зберігати цілісність сигналу.

Посилення і коефіцієнт шуму в каскадних радіочастотних системах

У багатоступеневих радіочастотних ланцюгах сумарне посилення і коефіцієнт шуму суттєво впливають на цілісність сигналу. Кожен ступінь підсилює як корисний сигнал, так і шум попередніх компонентів. Оскільки перший ступінь домінує в загальній шумовій характеристике, малошумні підсилювачі (LNA) є обов'язковими в приймальних пристроях.

Хоча посилення ПА має компенсувати втрати на наступних етапах, надмірне посилення загрожує переведенням наступних ступенів у режим насичення, що погіршує лінійність системи.

Подавлення гармонік і цілісність сигналу в нелінійних ділянках роботи

Робота підсилювачів на струмах, близьких до точки насичення, дійсно підвищує ефективність, хоча це призводить до збільшення кількості гармонік. Концепція проектування класу EF вирішує цю проблему за допомогою спеціальних мереж контролю гармонік, які зменшують небажані другу по п’яту гармоніки. Ці мережі працюють за рахунок точного узгодження імпедансів, що дозволяє знизити небажані випромінювання на 25–40 дБ порівняно з класом F. У результаті такі схеми можуть досягати ефективності понад 80% без погіршення якості сигналу, необхідного для радіолокаційних та електронних бойових систем. Проте слід врахувати, що інженери мають бути уважними щодо можливих проблем з нелінійними спотвореннями при роботі з кількома несучими в умовах нелінійної роботи. Кілька практичних випробувань зазвичай виявляють ці проблеми до того, як вони стануть серйозними ускладненнями в серійних системах.

Теплове управління та оптимізація SWaP-C у розгортанні радіочастотних підсилювачів потужності

Вимоги до охолодження залежно від розсіюваної потужності та циклу роботи

Правильне виконання теплового проектування означає його узгодження з тим, як насправді працює обладнання, і яку кількість енергії воно споживає. Візьміть, наприклад, радіочастотні підсилювачі, які безперервно використовуються в системах радарів або великих 5G-щоглах мобільного зв'язку, які нині масово будуються. Ці пристрої зазвичай перетворюють від половини до трьох чвертей вхідної потужності прямо у тепло. Уявіть тепер щось подібне до компонентів на основі нітриду галію (GaN), де щільність потужності досягає понад 3 вати на квадратний міліметр. На такому рівні звичайного повітряного охолодження вже недостатньо. Виробники змушені переходити на системи примусового охолодження повітрям або навіть рідинне охолодження. Існує також питання екстремальних умов експлуатації. Корисні вантажі супутників часто стикаються з температурним діапазоном від мінус 40 градусів Цельсія до плюс 85. Саме такі коливання температури суттєво впливають на ефективність радіаторів та вибір матеріалів, які інженери мають використовувати для різних компонентів. Теплове розширення стає важливим фактором при виборі матеріалів для таких застосувань.

Вплив теплового проектування на тривалу надійність і стабільність

Невдале теплове керування значно прискорює знос компонентів з часом. Дослідження, опубліковані IET Microwaves ще в 2022 році, показали, що підсилювачі можуть втрачати до 40% своєї тривалості при тривалому впливі високих температур. Саме тому інженери звертаються до матеріалів, таких як алюмінієвий карбід кремнію (AlSiC). Ці матеріали добре працюють, тому що розширюються приблизно з такою ж швидкістю, що й напівпровідникові кристали при нагріванні. Для тих, хто стикається з проблемами теплопередачі, теплопровідні матеріали з теплопровідністю понад 8 Вт/м·К мають велике значення. Вони допомагають вирівняти температурні різниці між компонентами, що зменшує неприємні гарячі точки, які насправді викликають проблеми, такі як міжмодуляційні спотворення, особливо в системах, що обробляють кілька сигналів одночасно.

Вирішення обмежень щодо розміру, ваги, потужності та вартості (SWaP-C) у оборонних та комерційних системах

Сьогодні армії потрібні підсилювачі, які можуть виходити більше ніж 100 Вт, але вписуватися в простір менше півлітра. Це приблизно на 60 відсотків менше, ніж використовувалося раніше. Для комерційних масивів 5G mMIMO компанії шукають доступні варіанти, де кожен ват виготовлення не коштує більше 25 центів. Модульні підходи до проектування РЧ-сигналів дозволяють інженерам масштабувати свої системи на різних частотах, зберігаючи ефективність споживання понад 90 відсотків. Щодо бортових радарних застосувань, перехід на підкладки з нітриду алюмінію зменшує загальну вагу приблизно на 35 відсотків порівняно з традиційними матеріалами. Це має велике значення для авіаційних операцій, де кожен зайвий фунт впливає на успішність місії.

ЛБВ проти транзисторних (GaN) підсилювачів: порівняння технологій для високочастотних застосувань

Порівняння характеристик: лінії біжучої хвилі проти підсилювачів потужності GaN РЧ

Коли справа доходить до потужних застосувань у надвисокочастотному діапазоні (міліметрових хвиль), підсилювачі на лампових лініях біжучих хвиль (TWT) все ще зберігають свою актуальність, забезпечуючи вихідну потужність близько 1 кВт на частотах понад 30 ГГц із приблизно 50% ефективністю перетворення енергії. З іншого боку, твердотільні підсилювачі на нітриді галію (GaN) добре себе показують на нижчих частотах в діапазоні від 1 до 20 ГГц, досягаючи ефективності 60–70% і займаючи значно менше місця. Військові активно використовують лампові підсилювачі для широкосмугових систем електронної боротьби, що охоплюють діапазон від 2 до 18 ГГц, але останнім часом технологія GaN набирає обертів у супутниковому зв’язку та мережах зворотного транспортування 5G, забезпечуючи наразі майже на 40% більшу ширину смуги.

Термін служби, смуга пропускання та ефективність: електровакуумні лампи порівняно з напівпровідниковими технологіями

Більшість підсилювачів на основі ЛБП зазвичай працюють приблизно 8 000 до, можливо, навіть 15 000 годин, перш ніж зношення катода стане проблемою. З іншого боку, пристрої на основі нітриду галію легко можуть перевищити 100 000 годин, якщо проектувальники правильно виконують теплове управління. Різниця у питомій потужності також досить суттєва. GaN забезпечує приблизно 4 Вт на міліметр, що означає, що компоненти займають приблизно на 30% менше місця, ніж традиційні ЛБП, які забезпечують лише 10 Вт на кубічний сантиметр. Проте все ще варто зазначити, що технологія ЛБП зберігає суттєву перевагу в плані пікової вихідної потужності, зокрема для радіолокаційних систем у діапазоні Ka, зберігаючи приблизно п'ятикратну перевагу. Ще однією великою перевагою напівпровідникових рішень є їхня здатність зменшувати гармонійні спотворення приблизно на 12 децибел у нелінійних режимах роботи. Це суттєво впливає на збереження чистих сигналів у багатоканальних фазованих антенних системах.

Придатність застосування: Радар, Супутниковий зв’язок та Системи електронної боротьби

Для застосування радарів дальнього огляду, що охоплюють діапазони від L до X, а також систем супутникового зв'язку, яким потрібно щонайменше 200 ватт вихідної потужності, лампи біжучих хвиль залишаються переважним рішенням. Тим часом підсилювачі на нітриді галію взяли верх на більшості платформ електронної боротьби в наші дні. Ці пристрої GaN забезпечують смугу пропускання від 2 до 6 гігагерц одночасно, що робить їх чудовими для систем, яким потрібно швидко змінювати частоти. Крім того, вони зменшують розмір, вагу та споживання енергії приблизно на 60 відсотків порівняно з традиційними технологіями. За даними останніх військових досліджень минулого року, засоби радіоперешкод, побудовані з використанням компонентів GaN, насправді зменшують накопичення тепла приблизно на 40% порівняно з аналогічними системами на основі ламп біжучих хвиль, хоча обидва варіанти зберігають приблизно однаковий рівень потужності сигналу під час роботи в S-діапазоні. Також відбуваються цікаві розробки, де інженери поєднують драйверні пристрої GaN з кінцевими підсилювачами на лампах біжучих хвиль для застосування в керуванні ракетами в Ka-діапазоні. Цей змішаний підхід виглядає перспективним, тому що поєднує енергозберігаючі властивості GaN з необхідними потужнісними характеристиками для певних вимог високопродуктивних систем.

Найпоширеніші запитання: підсилювачі потужності РЧ

У яких діапазонах частот працюють підсилювачі потужності РЧ для різних застосувань?

Підсилювачі потужності РЧ працюють у частотних діапазонах, таких як Ka-діапазон (26,5–40 ГГц), Q-діапазон (33–50 ГГц) і міліметрові хвилі (30–300 ГГц), що відповідають потребам супутникового зв’язку, радіолокаційних систем і систем електронної боротьби.

Як атмосферні умови впливають на роботу підсилювачів потужності РЧ?

Атмосферні умови, такі як зменшення потужності сигналу через дощ або поглинання киснем, можуть впливати на якість сигналу, тому підсилювачі мають забезпечувати додаткову потужність для підтримки стабільного з’єднання, особливо в високочастотних діапазонах, таких як Ka-діапазон і Q-діапазон.

Що означає стиснення P1dB у підсилювачах РЧ?

Стиснення P1dB — це точка, у якій підсилювач починає демонструвати нелінійну поведінку, що призводить до спотворення сигналу. Важливо працювати нижче рівня P1dB, щоб уникнути стиснення та зберегти високу якість сигналу.

Як теплове управління впливає на надійність підсилювачів РЧ?

Правильне теплове управління є важливим для подовження терміну служби підсилювачів РЧ. Неефективне відведення тепла може призводити до прискореного зносу та зниження надійності, що вимагає застосування передових технологій охолодження, таких як рідинне охолодження для компонентів з високою потужністю.

Чому важливий вибір між лампою біжучої хвилі та підсилювачами на основі нітриду галію?

Вибір між лампою біжучої хвилі (TWT) і підсилювачами на основі нітриду галію (GaN) залежить від потреб конкретного застосування. Лампи біжучої хвилі вибирають для потреб у високій потужності та широкій смузі пропускання, тим часом як підсилювачі GaN вирізняються ефективністю та економією місця для застосувань на нижчих частотах і швидкодіючих застосувань.