فوائد استخدام المذيبات الموزعة في الدوائر ذات التردد العالي

مقدمة: لماذا توزعت الهندسة المعمارية في التصميم العالي التردد

ونظرا لأن الترددات التي ترتفع إلى الموجة المليمترية (المطاف) وشبه المهتز، فإن التلويثات المضخمة التقليدية تواجه قيودا مادية كبيرة، وقد يكون منتج الترددات المربحة من المضخة التقليدية مرتبطا أساسا بالأصناف المتطورة من الأجهزة العاملة.

وقد صُقل هذا المفهوم، الذي كان أول براءة من قبل شركة بيرسيفال في عام 1936، لاحقاً من جانب شركة غينستون وهيوليت وجاسبرغ في عام 1948، وبدلاً من تركيز كل المكاسب في مرحلة واحدة، تجمع وزارة الزراعة بين نقل الأجهزة المتعددة العاملة، مع استيعاب أفقاتها الطفيلية في خطوط النقل المصطنعة، مما يجعل من الممكن أن يكسب من خلال عقود من السلاسل.

Understanding the Distributed Amplifier: The Artificial Transmission Line

ولفهم فوائد المضخم الموزع، من الضروري أولا فهم تشغيله، ويتألف المدّعي العام من مجموعة من الأجهزة النشطة (الخلايا الغازية)، أو المترجمين المؤثرين ميدانياً عادة، أو مترجمين ثنائيي القطب، متصلين بسلسلة من الموصلات أو فروع خطوط نقل عالية السرعة، وتُطلق الإشارة إلى مدخلات مُعدّة من خط نقل اصطناعي.

إن ما يُنتج من كل جهاز يتم جمعه من خلال خط الإرسال الصناعي الناتج، الذي يتكون من موصلات سلسلة، وبطاقة الصرف إلى المصدر، ومفتاح النطاق الواسع لفرقة إدارة الشؤون الإدارية هو العلاقة بين هذين الخطين، وإذا تطابقت سرعة المرحلة على البوابات وخطوط الصرف، فإن التيارات تسافر نحو تحميل الناتج في مرحلة الإنهاء التدريجي والبناءة تتجمع بين الوصلات.

الموجة الأمامية والخلفية

وهذه الطبيعة التي تسافر عبر الموجات هي ما تعطيه للمدعي العام ممتلكاته الفريدة، ولم يعد نطاق المضخم محدوداً من قبل الهيئة الألمانية للتعاون التقني لجهاز واحد، بل إنه محدود بتواتر قطع خطوط النقل الاصطناعية ذاتها، وهو ما تحدده قيم الخصم والارتفاع، ويمكن لهذه الخطوط، من خلال التصميم، أن تدعم الترددات من DC up to the millimeter-wave.

كما أن سبب تطابق المدّعي العام مع المخالفات الجيدة بشكل طبيعي، والتدخلات التي تُبحث في خط البوابة مقاومة بحتة (50 أوماً) على نطاق السر بأكمله، شريطة أن يُنهي الخط على النحو الصحيح، مما يلغي الحاجة إلى شبكات معقدة وخاسرة من طراز LC تضاهي الشبكات التي يلزمها لمضخات النطاقات التقليدية الضيقة.

المنافع الرئيسية للمرافق المزودة بأجهزة مبلِّغ موزعة

وادي باندويث وغاين فلانتي

والمزايا الرئيسية للمضخم الموزع هي قدرته على تحقيق مكاسب مسطحة على نطاق الترددات الواسعة بشكل استثنائي، وفي حين أن أحد المضخمات المشتركة يكافح من أجل الحفاظ على مكاسب تتجاوز بضعة جيغاهرتز، فإن من الممكن أن يحقق المدّعي العام المصمم جيدا مكاسب ثابتة من أقل من 1 جيهرتز إلى أكثر بكثير من 100 غيغاهرتز، وذلك حسب تكنولوجيا البرمجيات المتعددة الترددات (GaAs, GaN, InP, CMOS SOI).

وهذا يعني عملياً أن وحدة إدارة العمليات العسكرية يمكن أن تحل محل سلاسل مضاعفة ضيقة النطاق، مما يقلل من تعقيد النظام وحجمه وتكلفته، فعلى سبيل المثال، يمكن لمضخم وحيد للشبكة أن يغطي كامل طيف الترددات من 2 إلى 18 غيغاهيرتز المطلوب لجهاز استقبال إلكتروني للحرب.

خط الاستيعاب في النطاق العريض

إن تطابق الترددات على نطاق واسع يشكل تحديا معروفا في تصميم إطار النتائج، الذي يحكمه الحد الأقصى لبودي - فانو، وأصبح من الصعب بصورة متزايدة تنفيذ شبكات التطابق التقليدية للتفاعل مع ارتفاعات عرض النطاق الترددي، حيث أن المضخم الموزع يحل هذه المشكلة بطبيعة الحال، لأن المدخلات هي خط انتقال مع سمة قابلة للتصميم (Z0)، وهي تمثل في جوهرها نطاق تشغيلي يبلغ 50 أوم في العالم الخارجي في جميع أنحاءه.

ويبسط هذا النطاق العريض القدرة على التوفيق بين مرحلتي الكسب المتعدد أو دمج المضخم في نظام أكبر، كما أنه يقلل من حجم الاستجابة للمكسب، بما يكفل أداء يمكن التنبؤ به عبر نطاق الترددات.

خطية الإشارة الممتازة

وفي نظم الاتصالات الحديثة (5G, SatCom, DOCSIS) فإن التسلسل هو مواصفات حرجة، إذ أن متطلبات خط العرض في نظام الترددات الخفيفة بالنسبة لـ 64-QAM و 256-QAM تشير بدقة، إذ أن المضخات الموزعة توفر درجة عالية من التواؤم لأن قوة الإشارة توزع عبر أجهزة متعددة أصغر حجما، وكل جهاز مترجم فردي يعمل بنفس الناتج الواحد.

وهذا يقلل من توليد منتجات الخلط بين المواد الغريبة (IM3، IM5). والنتيجة هي ارتفاع الناتج الثالث - نقطة الاعتراض مقارنة بنقطة الضغط P1dB، مما يجعل من المتدربين على الاستخدام الفعال للغاية في سلاسل نقل النطاق العريض حيث يكون التسلسل شرطاً صارماً.

القابلية للتصميم والوحدة

ومن منظور التصميم، فإن إدارة الشؤون الإدارية هي مناظرة إلى حد كبير، وإذا احتاج مهندس إلى 20 مكسباً من المكسب بدلاً من 15 ميغابايت، فإنه يمكن أن يضيف ببساطة مرحلة أخرى إلى الهيكل، شريطة الحفاظ على تردد خط النقل، وهذا التصعيد يمثل ميزة كبيرة في تصميم وزارة الزراعة والتربية والثقافة، مما يسمح بإعادة استخدام القطع المخططة.

ويؤدي إضافة مراحل إلى زيادة إجمالي عملية نقل المضخم (المجموع الإجمالي) التي تزيد من المكاسب (الثانية 21) نظراً إلى أن القدرة الطفيلية للجهاز الجديد تستوعب في الهيكل الحالي لخط النقل، فإن نطاق التردد لا يزال دون تغيير إلى حد كبير، وهذا القابلية للتصعيد ينطبق أيضاً على قدرة الإنتاج، حيث يمكن للنائب العام، باختيار أجهزة أكبر أو مراحل أكثر، أن يقدم جهازاً أعلى من P1dB وPsat دون مقدس.

الإدارة الحرارية الخارقة

وتولد المضخات ذات الطاقة العالية حرارة كبيرة، ففي مترجم واحد كبير، تتركز هذه الحرارة في منطقة صغيرة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات حرارة القناة (Tch) وانخفاض الوقت المائي إلى الفشل، وفي مضخمة موزعة، ينتشر توليد الحرارة عبر أجهزة متعددة منفصلة مكانيا.

ويقلل هذا التوزيع للحمولة الحرارية من درجة الحرارة القصوى، ويحسن الموثوقية، وهذا ميزة خاصة بالنسبة لأجهزة الدفع المميتة العاملة بالغاز، حيث يمكن أن تتجاوز كثافة الطاقة 10 دبلومتر/م. وبنشر الحرارة، يمكن للمدعي العام أن يتعامل مع ارتفاع إجمالي الناتج عن جهاز واحد كبير في نفس منطقة الرقاقة، مما يتيح وصلات بينية حرارية بسيطة وأداة أقوى للنظام.

التطبيقات الرئيسية للمضخمات المضللة

الاتصالات والشبكة البصرية

وقد دفعت البحوث التي أجريت على نطاق الترددات الترددية في 5G New Radio (NR) و6G إلى ارتفاع الاحتياجات من الترددات الترددية، وتستخدم أجهزة التصفيف الموزعة في مراحل القوى المحركة من مضخمات الكهرباء في مصانع الكهرباء في منطقة العجلات المتوسطة (SeWave) لمراكز الأساس العاملة في النطاق الترددي البالغ 257، و258، و259 جهازاً، وربما يكون أكثر التطبيقات طلباً في أجهزة إرسال بصرية متماسكة.

نظم الحرب الإلكترونية والرادار

وتتطلب النظم المصممة لهيمنة الطيف أجهزة استقبال وأجهزة إرسال يمكن أن تغطي على الفور نطاق الترددات الواسعة للغاية، وقد يحتاج نظام واحد للحرب الإلكترونية إلى العمل من 2 جيهرتز إلى 40 جيهرتز. وتستخدم أجهزة التعبئة في نظام الحسابات القومية في المراحل الأمامية ومراحل السائقين لهذه النظم لأنها يمكن أن توفر مكاسب مسطحة ورقم ضوضاء منخفض (مع تصميم دقيق) في جميع هذه النطاقات.

في الرادار المقسم على مراحل القدرة على الحفاظ على مرحلة متسقة وإستجابة الكم الهائل عبر الترددات ضرورية لدقة الضبط

معدات الاختبارات والتقديرات العالية السرعة

وفي إطار أدوات درجة المعمل، مثل الأظافر الموجودة حالياً والتي تزيد فيها معدلات أخذ العينات على 100 خ ع/ق، كثيراً ما يقوم بتكييف الإشارة الأمامية بضخة موزعة، ويوفر DA النطاق الترددي اللازم لاستخلاص محتوى الإشارات العالية التردد دون تشويه الموجة، كما يتلقى تواتراً كبيراً من أجهزة قياس الترددات في شبكة النواقل ويؤمن المكسب الواسع النطاق.

• Oscilloscopes:] Keysight and Tektronix use DA topologies in their high-end products.
• Fiber Optic Sensing:] DAs provide the high dynamic range needed for long-haul distributed temperature and strainens (DTS/DAS).
• Automotive Radar:] 77 GHz CMOS DAs are used for long-range adaptive cruise control sensors.

عمليات المقايضة والنظر في التصميم

DC Power Consumption and Efficiency

أما حالة التحيز الموحدة للمضخم الموزع فهي في الدرجة الأولى، حيث تجري جميع الأجهزة دائما، مما يؤدي إلى تسلسل عال ولكن إلى كفاءة منخفضة في القوة، تتراوح في كثير من الأحيان بين 10 في المائة و 25 في المائة حسب النطاق الترددي، أما بالنسبة للأجهزة المحمولة التي تعمل بالبطارية، فإن هذا يمكن أن يكون عاملاً يحد من ذلك، وكثيراً ما يستخدم المصممون أدوات غير مكررة، أو تقنيات التحيز.

الشكل الأداء

ومن بين العيوب التاريخية لطب طبوغرافيا DA ارتفاع رقم الضوضاء بالمقارنة مع مضخم منخفض المستوى من درجة واحدة، وتسهم الضوضاء بأجهزة نشطة متعددة، وعلى وجه التحديد، مقاوم إنهاء البوابة المفقودة، غير أن التقنيات الحديثة قد خففت هذا الأمر.

تأخر الفريق وتخريبه

وبالنسبة للتطبيقات النقية والرقمية، فإن الحفاظ على تأخير مستمر في المجموعة (استجابة المرحلة الدنيا) أمر أساسي للتقليل إلى أدنى حد من تشوهات النبض والتدخل في النظام الداخلي (ISI).

الاستقرار والاحتلالات من جانب منظمة " أود - مود "

ونظراً لأن إدارة الشؤون القانونية دائرة متعددة المروحات مع تعليقات موزعة، فإنها يمكن أن تكون عرضة للتذبذبات أو التردي المنخفض التي تحجب الارتدادات، وتحليل القابلية للصمود أكثر تعقيداً من تحليل الكمائن الأحادية، ويجب على المصممين استخدام تماثل صارم في التصميم لقمع الظواهر المؤثرة في المقاييس، وأحياناً على صفات مقاومة الاستقرار.

مقارنة بين المتغيرات المبلدة

Uniform vs. Non-Uniform Distributed Amplifiers

وفي وحدة قياسية من وحدات إدارة الشؤون الإدارية، تكون كل خلية من الهواتف متطابقة، وهذا يوفر عرضا جيدا للعرض والبساطة، ولكن الكفاءة والقدرة على الإنتاج أقل من المستوى الأمثل، وفي جهاز لا يستخدم في الأغراض غير الرسمية، يتم تسجيل خط الصرف، كما أن الأجهزة القريبة من الناتج أكبر، حيث تُعالج زيادة تقلب الطاقة، بينما تكون الأجهزة القريبة من المدخلات أصغر حجما، مما يحافظ على ضعف هيكل المدخلات وارتفاع المكاسب.

Cascode vs. Common Source Gain Cells

ويؤثر اختيار طب التضاريس الخلوي على الأداء تأثيرا كبيرا، حيث توفر خلية بسيطة من المصادر المشتركة تسلسلا جيدا ولكنها تعاني من تأثير ميلر (Cgd). وتوفر خلية الكاسكود (المصدر المشترك + البوابة المشتركة) زيادة المكاسب، والعزلة العكسية بشكل أفضل (S12)، والحد من قدرة ميلر على العمل، وتحسين الاستقرار.

واحد - مضاف ضد مذاهب مختلفة

ومع زيادة مستويات التكامل، أصبحت المضخات الموزعة على نحو كامل متمايزة شعبية، فهي تعرض رفضا ممتازا للضوضاء الشائعة والانسجام بين المعالم، وهو مثالي لقيادة البلدان النامية ذات السرعة العالية والمناصب المتحركة التي تدفع دفعة، والمقايضة هي أن المدونات المتمايزة تتطلب ضعف مساحة الرقاقة واستهلاك الطاقة في تصميم واحد.

الاستنتاج: مستقبل التضخيم الموزع

ولا يزال هيكل المضخم الموزع أحد أكثر الحلول فعالية للتغلب على الحدود التي تكتسبها الدوائر العالية التردد في النطاق الترددي، وقدرتها على توفير مكاسب ثابتة، ومطابقة ممتازة للأخطار، واتسامها الشديد بالثباتات المتعددة المواقع، مما يجعل من الضروري تقديم الاتصالات المتقدمة، والحرب الإلكترونية، وأدوات الاختبار.

(ب) استمرار الابتكارات في أجهزة شبه الموصلات المركبة (GaN, InP) والتكنولوجيات القائمة على السيليكون (CMOS SOI, SiGe BiCMOS) في دفع ترددات التشغيل في نطاق (Te-As) في نطاق (Tearetz) بينما تشمل الطبقات التفاضلية المتنازعة في استهلاك الطاقة والضوضاء، فإن قدراته غير المتطابقة على النطاق الترددي تضمن أهميتها بالنسبة للنظم المستقبلية المنظورة.

For further reading, reference the foundational papers on traveling-wave amplification at Microwaves101] and explore modern applications in the IEE Microwave Magazine[FT:4]. An excellent overview of commercial DA design techniques is also available from [6]