Kerakli RF kuchaytirgichlarni tanlashda asosiy omillar

RF quvvat kuchaytirgichining ishlashiga doir chastota diapazoni va diapazonga xos talablari

Satcom, Radar va EW tizimlarida qo'llaniladigan Ka-Diapazon, Q-Diapazon va mmWave texnologiyalari

Bugungi kunda RF kuchaytirgichlar xususan Ka diapazoni (26,5 dan 40 GHz gacha), Q diapazoni (33 dan 50 GHz gacha) va mmWave (30 dan 300 GHz gacha) kabi ma'lum chastota diapazonlariga mo'ljallangan holda quriladi, chunki ushbu diapazonlar sun'iy yo'ldosh aloqasi, radiolokatsiya tizimlari va elektron urush vositalaridagi turli xohlarga xizmat ko'rsatadi. Ka diapazoni mavjud taxsilaning kengligi hamda atmosfera orqali signallarning yaxshi o'tish imkonini beradi, shu sababli ham yuqori sig'imli sun'iy yo'ldosh aloqalarida keng qo'llaniladi. Lekin mmWave chastotalar diapazoniga o'tilsa, boshqa afzalliklar ham ochiladi. Mazkur yuqori chastotalar 5G tarmoqlarining asosiy tarmog'ida hamda eng zamonaviy harbiy sensorli tizimlarda juda tez javob berish tezligini ta'minlash imkonini beradi. Xalqaro telekommunikatsiya ittifoqining so'nggi hisobotida 60 GHz chastotada (V diapazon deb ham ataladi) nam havodagi suv bug'i signallarning kuchini 15 decibel/km gacha kamaytirishini ko'rsatib o'tilgan. Mazkur turdagi signal yo'qotishlar muhandislarning tizimlarni real dunyo muhitida sozlash jarayonida ishlatiladigan chastotalarni ehtimollik bilan tanlash zarurligini yana bir bor tasdiqlaydi.

Atmosfera singdirish ta'siri va ularning RF kuchlanish chiqishiga ta'siri

Yomg'ir oqib ketishi va kislorod singdirish kabi ob-havo ta'siri yuqori chastota diapazonlaridan foydalanayotganda signallarni buzadi. Masalan, Ka-Diapazoni bo'ronli ob-havoda 1 km uchun 5 dB ga yetadigan signal yo'qotishlarga sabab bo'ladi. Bu ulanishni barqaror saqlash uchun kuchaytirgichlarning quvvat chiqishini 20% ga oshirish zarurligini anglatadi. Masala Q-Diapazoni radari chastotalari 47 GHz ga yaqin bo'lganda yanada qiyinlashadi, chunki atmosfera signallarni shunchalik tarqatadiki, ba'zan aniqlash masofasini deyarli yarmiga qisqartiradi. Dengiz sohillari yoki namlik ko'p bo'lgan hududlar ayniqsa muammoli. Ko'plab muhandislar kuchaytirgich quvvatini 30 dan 50% gacha oshirishni rejalashtiradilar, chunki bu sharoitlar keng tarqoq. So'nggi millimetrik to'lqinlar uchun sinovlar esa eng yomon holatlarni rejalashtirishning muhimligini tasdiqlaydi.

Kuchaytirgich zoli kengligini tizim signali tarqalish talablari bilan moslashtirish

Diapazonni to'g'ri sozlash tizimlarning umumiy ishlash samaradorligini yaxshilashda muhim rol o'ynaydi. Masalan, 12 dan 18 GHz gacha bo'lgan chastotalar oraliqida ishlaydigan Ku-diapazonli sun'iy yo'ldosh aloqa liniyasini oling. Agar taxminan 500 MHz diapazon kerak bo'lsa, u holda biz albatta chastotaning plus yoki minus 2% oralig'ida barqaror ishlaydigan kuchaytirgichlarga ega bo'lishimiz kerak. Aks holda, ushbu signallar qo'shni kanallar bilan o'zaro ta'sir qilishi mumkin. Endi elektron urush jamming tizimlariga qarang, bu yerda vaziyat yanada murakkabroq. Bunday tizimlar, ko'pincha, 2 GHz dan kengroq diapazon bilan ishlaydi, shu sababli ham ular galliy nitridan tashkil topgan kuchaytirgichlarga tayanadi, bu esa ishlash davomida doimiy kuchaytirishni saqlab turadi, odatda yarim decibel o'zgarish ichida saqlanadi. Muhandislar tez-tez impedans moslash parametrlarini sozlash uchun yukni tortish usullariga murojaat qiladilar. Bu esa signallarning aks ettirish darajasini -15 dB dan pastga tushirishga yordam beradi va bu esa hozirgi kunda fazali massivli radiolokatsiya stansiyalarida muhim hisoblangan 95% atrofida bo'lgan quvvat uzatish samaradorligi soxta nuqtasiga yaqinlashish imkonini beradi.

Chiqish quvvati, signallarning turi va chiziqlik: pik-to-orta nisbat va P1dB siqilishini boshqarish

DO, AM va murakkab modulyatsiyalangan signallar uchun pik quvvat talablari hisobi

Uzluksiz to'lqin (CW) signallari va amplituda modulyatsiyali (AM) signallari bilan ishlashda pik quvvati o'rtacha quvvat darajasiga mos keladi, bu esa qanday kuchaytirgich kerakligini aniqlashni ancha osonlashtiradi. Lekin masala murakkablashadi agarda 64QAM yoki OFDM kabi murakkab modulyatsiya sxemalaridan foydalanilsa. Bu turdagi signallar o'zlarining pik-ortacha quvvat nisbati (PAR) tufayli turli xil quvvat tebranishlarini yaratadi. Masalan, 64QAM da bu nisbat odatda 3,7 dB atrofida bo'ladi. OFDM da esa PAR 12 dB dan ham oshib ketishi mumkin. Shu sababli signalni deformatsiyalashni oldini olish uchun kuchaytirgichlarni ularning maksimal imkoniyatlari ostida kamida 6 dB past darajada ishlatish kerak. Bosh farqli o'laroq, radar tizimlarida, sun'iy yo'ldosh aloqalari va endi 5G tarmoqlar uchun ham yaxshi signallarni saqlab turish uchun zarur darajadagi bosh farqli o'laroq saralash juda muhimdir.

RF kuchaytirgich tanlashda PAR va cho'qqi omilining roli

PAR (o'rtacha nisbatga chiqish) va tushish omili, asosan, signallarning o'rtacha darajasiga qanday mos kelishini o'lchaydi, kuchaytirgich qanchalik chiziqli va samarali bo'lishini belgilashda muhim rol o'ynaydi. Yuqori chastotali signallar bilan ishlaganda, aksariyat kuchaytirgichlarga faqat shu noqulay signallarni boshqarish uchun o'z maksimal chiqish imkoniyatlaridan 6 dan 7 dB gacha bo'shliq kerak bo'ladi. Oddiy 40 vattli qattiq holatli kuchaytirgichni misol qilib oling. Agar u 10 dB tushish omiliga ega bo'lgan signallarni qayta ishlamoqchi bo'lsa, u holda texnik jihatdan u faqat 4 vattli o'rtacha quvvat berishini amalga oshiradi, chunki bu kompressiya effektlari tufayli distorsiyaning oldini oladi. Bunday shartli to'xtash haqiqatan ham ixtiyoriy emas, ayniqsa zamonaviy aloqa tizimlarida ishlaganda, bu esa chastotalar doim o'zgarib tursa ham spektral me'yorida qat'iy rioya qilishni talab qiladi. 5G tarmoqlari yoki elektron urush vositalari tizimlarini o'ylab ko'ring, bu yerda chastotalar doim o'zgarib, signallar kuchiga qarab keskin farq qiladi.

P1dB dan past ishlash orqali kompressiya va distorsiyani qoidaga solmaslik

Kuchaytirgich o'zining 1 dB kompressiya nuqtasiga yoki qisqacha P1dB ga yetganda, narsalar chiziqli bo'lmaslikka kirishadi. Bu chegara o'tib ketilsa, muammolar tez sur'atda boshlanadi - garmonik chetlanishlar va noqulay intermodulyatsiya mahsulotlari bilan birga yomonroq signallar sifati kelib chiqadi. Impulsli signallar bilan ishlovchi radiolokatsion tizimlar uchun muhandislar umuman olganda P1dB belgisidan 3 dan 5 dB gacha past bo'lishni mo'ljallaydilar. Lekin murakkabroq modulyatsiyalangan signallar bilan shug'ullanayotganda xavfsizlik uchun taxminan 6 dan 10 dB gacha bo'shliq kerak bo'ladi. Galliy nitrid (GaN) kuchaytirgichlar oxirgi paytlarda keng tarqoq bo'lib qolmoqda, chunki ularning P1dB darajasi eski sayohat qiluvchi to'lqinli nay (TWT) texnologiyasiga qaraganda ancha yuqori. Bu esa loyihalashchilarga ishlashni kamroq chiziqli chegara bilan olib borish imkonini beradi, bu esa ayniqsa fazo, vazn va quvvat iste'moli asosiy ahamiyatga ega bo'lgan sohalarda juda qimmatli.

Bu tuzilgan yondashuv RF kuchaytirgichlarni ishlatishda chiqish quvvati, chiziqlik va foydali ishlatish o'rtasidagi optimal muvozanatni ta'minlaydi.

Yuqori chastotali RF kuchaytirgich loyihalashda foydalanish samaradorligi, kuchaytirish va chiziqlilikning o'zaro munosabati

Zamonaviy RF kuchaytirgichlarda foydalanish samaradorligi va chiziqlilikni muvozanatlash

Yuqori chastotali RF kuchaytirgichlarni ishlab chiqarishda muhandislar foydali ish koeffitsientini chiziqlilik talablari bilan muvozanatlashishi kerak. Sinf-EF loyihalari 1,9 dan 2,9 GHz gacha bo'lgan keng chastota diapazonlarini qamrab olishda 70 dan 83% gacha bo'lgan dreyn effektivligiga erishadi, shuningdek, o'ttiz to'qqizdan 5 dBm dan ortiq chiqish quvvatini ta'minlaydi, bu haqda o'ttiz yil oldin Nature jurnalida chop etilgan maqolada aytilgan. Lekin OFDM yoki QAM modulyatsiya sxemalaridan foydalangan holda ishlaydigan tizimlar uchun bir qiyinchilik mavjud, chunki ular spektral nurlanish uchun me'yorida qat'iy chiziqlilikni saqlashni talab qiladi. Buning uchun, odatda, amaliyotda foydali ish koeffitsienti taxminan 15-20% kamayadi. Hozirgi zamonaviy amalga oshirishlarning aksariyatida adaptiv bias usullari raqamli oldindan buzish usullari bilan birlashtiriladi, bu esa cheklangan cheklovlar doirasida qolishga yordam beradi. Bu yondashuvlar 5G infratuzilma tarmoqlari va sputnik aloqa tarmoqlari kabi turli sohalarda zarur darajadagi ishlashni saqlab turishga yordam beradi, bu yerda signallar butunligi muhim ahamiyatga ega.

Kaskadli RF tizimlarda kuchaytirish va shovqin figurasining oshishi

Ko'p bosqichli RF zanjirlarda kumulyativ kuchaytirish va shovqin figurasining umumiy signallanish sifatiga bevosita ta'siri bor. Har bir bosqich kerakli signalni ham, oldingi komponentlardan kelgan shovqinni ham kuchaytiradi. Birinchi bosqich umumiy shovqin ishlashini boshqarib turgani uchun qabul qiluvchi old qismida past shovqinli kuchaytirgichlar (LNA) muhim ahamiyatga ega.

Yuqori kuch kuchaytirgichning kuchaytirish qiymati keyingi yo'qotishlarni kompensatsiya qilishi kerak bo'lsa ham, juda yuqori kuchaytirish keyingi bosqichlarni siqishga olib kelish xavfini keltirib chiqaradi va tizimning chiziqli ishlashini yomon qiladi.

Garmoiklarni so'ndirish va nochiziqli ishlash sohalarida signallarni saqlash

Ampirlarni to'yinguncha ishlatish ularning samaradorligini oshiradi, lekin bu bikuvchanliklarni kuchaytirishga olib keladi. Class-EF dizayn yondashuvi ushbu muammoni ikkinchi va beshinchi tartibdagi bikuvchanliklarni kamaytiruvchi maxsus bikuvchanlikni boshqarish tarmog'i bilan hal qiladi. Bu tarmoqlar qarshiliklarni moslashtirish orqali ishlaydi va shu tufayli Class-F sozlamalariga qaraganda taxminan 25 dan 40 dBc gacha bo'lgan noqulay nurlanishni kamaytiradi. Natijada, ushbu dizaynlarning samaradorligi 80% dan ortiq bo'ladi va shu bilan birga radar hamda elektron urush tizimlarida kerak bo'ladigan signallarning sifatini saqlaydi. Biroq, muhandislarning e'tiborini jiddiy tortadigan narsa shundaki, nochiziqli ishlash sharoitida bir nechta o'tkazuvchi kanallar bilan ishlashda intermodulyatsiya shovqinlari bilan bog'liq muammolar yuzaga kelishi mumkin. Bir nechta amaliy sinovlar bu muammolarni ular ishlab chiqarish tizimlarida katta qiyinchiliklarga sabab bo'lishidan oldin aniqlashga yordam beradi.

RF kuchaytirgichlarni o'rnatishda issiqlikni boshqarish va SWaP-C ni optimallashtirish

Quvvat so'rish va vazifa tsikliga asoslangan sovutish talablari

Termal loyihani to'g'ri bajarish - qanday uskunalar ishlayotganini va qanday quvvat sarflayotganini hisobga olishni anglatadi. Hozirgi kunda hamma joyda qurilayotgan katta 5G hujayra minoralari yoki radiolokatsion tizimlarda bevosita foydalaniladigan RF kuchaytirgichlarni oling. Bu qurilmalar odatda kiritilgan quvvatning yarmidan uchdan ikkisigacha bo'lgan qismini bevosita issiqlikka aylantiradi. Endi esa kuch zichligi kvadrat millimetrga 3 vattendan ortiq bo'lgan GaN asosidagi komponentlarni ko'rib chiqing. Bunday darajada oddiy havo bilan sovutish endi yetarli bo'lmaydi. Ishlab chiqaruvchilarning majburiy havo tizimlariga yoki hatto suyuqlik bilan sovutish echimlariga o'tish kerak bo'ladi. Shuningdek, ekstremal muhit ham muammo bo'lib qolmoqda. Sun'iy yo'ldoshlarning yuklamalari ko'pincha minus 40 tadan plus 85 darajagacha bo'lgan haroratlarga duch keladi. Bunday harorat o'zgarishlaridan foydalanish issiqlikni sovutish samaradorligini va muhandislarning turli qismlar uchun tanlashi kerak bo'lgan materiallarni bevosita ta'sir qiladi. Bunday dastur uchun materiallarni tanlashda issiqlik kengayish muhim omil bo'lib xizmat qiladi.

Uzoq muddatli ishonchlilik va barqarorlikka issiqlik konstruktsiyasining ta'siri

Yomon issiqlikni boshqarish komponentlarning vaqt o'tishi bilan eskirishini juda tezlatadi. 2022-yilda IET Mikroto'lqinlar tomonidan o'tkazilgan ayrim tadqiqotlar kuchaytirgichlar har doim yuqori haroratga duch kelganda taxminan 40% kamroq muddat xizmat ko'rsatishini ko'rsatdi. Shu sababli muhandislar kremniy karbidli aluminiy (AlSiC) kabi materiallarga murojaat qilmoqdalar. Bu materiallar yarimo'tkazgichli kristallar bilan bir xil tezlikda qizitilganda kengaytirish natijasida yaxshi ishlaydi. Issiqlik uzatish muammolariga duch keluvchilar uchun 8 Vt/m K dan yuqori o'tkazuvchanlikka ega issiqlik interfeys materiallari katta farq yaratadi. Ular qismlar orasidagi harorat farqini tekislashga yordam beradi, bu esa intermodulyatsiya shovqinlarga sabab bo'ladigan noqulay issiqlik nuqtalarini qisqartiradi, ayniqsa bir vaqtda bir nechta signallarni qayta ishlovchi tizimlarda.

Havo, og'irlik, quvvat va narx (SWaP-C) cheklovlarini hal etish: Mudofaa va tijorat tizimlari

Hozirgi kunda armiya 100 vattdan ortiq quvvat beradigan, lekin yarm litrdan kamroq joy egallaydigan kuchaytirgichlarga ehtiyoj sezmoqda. Bu avvalgi qurilmalardan taxminan 60% kichikroq hajmni anglatadi. Tijorat 5G mMIMO massivlari uchun kompaniyalar har bir vatt ishlab chiqarish narxi 25 sentdan qimmatroq bo'lmasa, arzon variantlarni qidirmoqda. Modulyar RF dizayn yondashuvlari muhandislarga turli chastotalar bo'yicha tizimlarini kengaytirishda 90% dan yuqori quvvat foydalanish samaradorligini saqlab turish imkonini beradi. Havodagi radar qurilmalariga o'tilganda, an'anaviy materiallarga qaraganda aluminiy nitrid asosidagi substratlarga o'tish umumiy vaznni taxminan 35% ga kamaytiradi. Bu har bir ortiqcha funt ham vazifani bajarishga ta'sir qiladigan samolyotlarni boshqarish uchun muhim ahamiyatga ega.

TWT vs. Solid-State (GaN) kuchaytirgichlar: Yuqori chastotali dasturlar uchun texnologiyalarni taqqoslash

Ishlab chiqarish bo'yicha taqqoslash: Traveling Wave Tube (TWT) vs. GaN RF quvvat kuchaytirgichlari

Yuqori kuchli mmWave qo'llanmalar haqida bo'lsa, sayohat qiluvchi to'lqinli nay (TWT) kuchaytirgichlar hali ham o'z o'rnini saqlab qolmoqda, 30 GHz yuqori chiqish quvvati taxminan 1 kW gacha bo'lib, taxminan yarmi energiya sifatida o'zgartiriladi. Boshqa tomondan, Galliy nitrid (GaN) solid holatli kuchaytirgichlar 1 dan 20 GHz oralig'ida past chastotalar bilan ishlaganda katta quvvat namoyish qiladi, 60 dan 70% gacha foydali ishlanishni ta'minlaydi va javonlarda ancha kam joy egallaydi. Harbiy kuchlar 2 dan 18 GHz gacha bo'lgan keng diapazonli elektron urush tizimlari uchun TWT lardan foydalanadi, ammo oxirgi vaqtada GaN texnologiyasi ham yulduz aloqasi tizimlarida ham 5G orqa bog'lanish tarmoqlarida ham keng qo'llanilmoqda, hozirda taxminan 40% kengroq chastota diapazoni imkoniyatlarini taklif qilmoqda.

Xizmat muddati, chastota kengligi va foydalanish samaradorligi: Bo'shliq nayi va yarimo'tkazgich texnologiyalari

Ko'pincha TWT kuchaytirgichlar katod ishlash muddati tugashidan oldin 8000 soatdan 15000 soatgacha ishlaydi. Bosh farq esa GaN qurilmalarda muhandislarning issiqlikni boshqarishni to'g'ri sozlashi bilan 100000 soatdan ortiq xizmat qilish imkoniyatiga ega. Quvvat zichligi farqi ham sezilarli. GaN millimetrga 4 vatt quvvat beradi, ya'ni komponentlar oddiy TWT qurilmalarga qaraganda 30% kamroq joy egallaydi, chunki TWT larda kub santimetrga 10 vatt to'g'ri keladi. Shunday bo'lsada, TWT texnologiyasi xususan Ka diapazonli radiolokatsiya tizimlarida cho'qqi quvvat chiqishida hali ham 5:1 ga yaqin ustunlikka ega. Yarimo'tkazgich yechimlarning yana bir afzalligi esa nochiziqli ishlash rejimlarida garmonik chetlanishni taxminan 12 dB ga kamaytirish imkoniyatidir. Bu esa murakkab fazali tizimlarda bir nechta kanallar bo'yicha toza signallarni saqlashda katta farq hosil qiladi.

Qo'llanilish sohasi: Radar, Satkom va Elektron urush tizimlari

L dan X bandigacha bo'lgan uzun masofali kuzatuvradar qo'llanmalarida hamda kamida 200 vatt chiqish talab qilinadigan sun'iy yo'ldosh aloqa tizimlarida hal qiluvchi naychalarga kirish davom etmoqda. Bosh vaqtda galliy nitrid kuchaytirgichlari hozirgi kunda aksariyat elektron urush platformalarini qamrab olgan. Bu GaN qurilmalar bir vaqtning o'zida 2 dan 6 gigagetrgacha bo'lgan taxtasimon diapazon ta'minlaydi, bu esa tez tez chastotalarni o'tish kerak bo'lgan tizimlar uchun ajoyibdir. Shuningdek, ular an'anaviy texnologiyalarga qaraganda hajm, vazn va elektr energiyasidan foydalanishni taxminan 60% ga kamaytiradi. O'ttiz yil oldingi harbiy tadqiqotlarga ko'ra, GaN komponentlardan foydalangan holda yaratilgan to'sib qo'yish uskunalari esa TWT asosidagi tizimlarga qiyoslaganda issiqlik to'planishni taxminan 40% ga kamaytiradi, garchi ikkalasi ham S diapazonidagi operatsiyalar davomida taxminan bir xil darajadagi signallarni saqlab tursa ham. Shuningdek, muhandislarning GaN dvigatellarini TWT yakuniy bosqichlari bilan birlashtirish orqali Ka diapazonidagi raketalar boshqarish sohasida ham qiziqarli ishlanmalar amalga oshmoqda. Bu aralash yondashuv aynan GaNning energiya tejash imkoniyatlarini bilvosita yuqori samarali talablarni qondirish uchun kerak bo'lgan toza kuch imkoniyatlari bilan birlashtirgani uchun va'dali ko'rinadi.

FAQ: RF kuchaytirgichlar

RF quvvat kuchaytirgichlari turli dasturlar uchun qanday chastota oralig'ida ishlaydi?

RF quvvat kuchaytirgichlari Ka-diapazon (26,5 dan 40 GHz gacha), Q-diapazon (33 dan 50 GHz gacha) va mmWave (30 dan 300 GHz gacha) kabi chastota diapazonlarida ishlaydi, bu esa sun'iy yo'ldosh aloqasi, radiolokatsiya tizimlari va elektron urush tizimlariga xizmat ko'rsatadi.

Atmosfera sharoiti RF quvvat kuchaytirgichlari ishlashiga qanday ta'sir qiladi?

Yomg'ir oqib ketishi va kislorodning yutib olinishi kabi atmosfera sharoitlari signallarning sifatiga ta'sir qiladi va ayniqsa Ka-diapazon va Q-diapazon kabi yuqori chastotali diapazonlarda aloqani barqaror saqlash uchun kuchaytirgichlarga qo'shimcha quvvat berishni talab qiladi.

RF kuchaytirgichlarda P1dB siqishning ahamiyati nima?

P1dB siqish kuchaytirgich nochiziqli xatti-harakatlarni namoyon qila boshlaydigan nuqtadir, bu esa buzilishlarga olib keladi. Siqishdan saqlanish va yaxshi signallarni saqlab turish uchun P1dB dan past darajada ishlash muhimdir.

Termal boshqaruv RF kuchaytirgichlarining ishonchliligiga qanday ta'sir qiladi?

RF kuchaytirgichlarning umrini uzaytirish uchun to'g'ri issiqlikni boshqarish muhim ahamiyatga ega. Yaxshi sovutishning etishmasligi tufayli komponentlarning tez eskirishi va ishonchliligi pasayishi mumkin, shu sababli yuqori quvvat zichligiga ega komponentlar uchun suyuq sovutish kabi ilg'or sovutish usullariga ehtiyoj tug'iladi.

TWT va GaN kuchaytirgichlar orasida tanlov muhim bo'lgani nima?

Traveling Wave Tube (TWT) va Gallium Nitride (GaN) kuchaytirgichlar orasidagi tanlov dasturiy ehtiyojlarga bog'liq. Yuqori quvvat va keng zolotish kengligi talablari uchun TWT lardan foydalanish afzal, GaN kuchaytirgichlar esa past chastotali hamda tezkor dasturlar uchun samaradorlik va joy tejashda ustunlik qiladi.