El papel creciente de los amplificadores RF en la conectividad IoT y M2M

Los ecosistemas de comunicación de Internet de las cosas (IoT) y Machine-to-Machine (M2M) se están expandiendo a un ritmo sin precedentes. Desde sensores de agricultura inteligentes y monitores de salud utilizables a redes de automatización industrial e infraestructura de ciudades inteligentes, miles de millones de dispositivos ahora dependen de la conectividad inalámbrica. En el corazón de cada transmisor inalámbrico se encuentra el amplificador de frecuencias de radio (RF), un componente que debe ofrecer una mayor capacidad de señalización a medida

Desafíos clave en diseño amplificador RF para IoT y M2M

Diseñar un amplificador RF para aplicaciones IoT y M2M es un problema de optimización multidimensional. A diferencia de las redes tradicionales de área amplia donde las estaciones base tienen una potencia y enfriamiento amplios, los puntos finales de IoT suelen verse limitados por la vida de la batería, la huella física y el coste de unidad. Estas limitaciones obligan a los ingenieros a equilibrar los parámetros de rendimiento que a menudo se encuentran en oposición directa.

Eficiencia de la energía

La longevidad de la batería es posiblemente el requisito más estricto para dispositivos IoT propulsados por batería. Un amplificador de potencia RF puede representar 30–50% del consumo total de energía del sistema durante la transmisión. Dado que muchos dispositivos IoT pasan la mayoría de su tiempo en modo de sueño, la PA debe ofrecer una excelente eficiencia durante las cortas ráfagas de alta potencia.

Rango de ancho de banda y frecuencia

Los componentes de la banda de alta frecuencia y de alta frecuencia son de alta resistencia, pero también son de alta calidad.

Integridad de la línea y la seña

El diseño de línea de alta eficiencia de IoT, por ejemplo OFDM en Wi-Fi y LTE-M, o FSK con filtración gaisiana para órdenes de banda estrecha, lugar exigentes requisitos de linearidad en la PA. Las no lineales causan un crecimiento e intermodulación de la línea de alta velocidad y la reducción de la velocidad de los canales adyacentes (ACP).

Tamaño e integración

Los componentes discretos se utilizan tradicionalmente en la amplificación RF. Los amplificadores deben integrarse en las soluciones de sistema a chip (SoC) o módulo de instalación en paquete (SiP) junto con la banda base digital, la memoria, los sensores y la gestión de potencia.

Gestión térmica

El calor se mantiene en un entorno de potencia de alta temperatura y de alta resistencia térmica.Los dispositivos IoT pueden ser desplegados en entornos extremos (por ejemplo, sensores industriales al aire libre bajo luz solar directa o en condiciones de sub-cero), lo que requiere que la PA funcione a través de un amplio rango de temperatura.

Costo y rendimiento

Los dispositivos de IO son sensibles a los precios; algunos centavos de coste extra BoM pueden determinar la viabilidad del mercado. Los amplificadores RF deben ser fabricados en procesos de alto volumen con alto rendimiento. Los semiconductores compuestos (GaAs, GaN) ofrecen un rendimiento superior pero son más costosos y más difíciles de integrar con CMOS.

Soluciones emergentes y tendencias futuras

A pesar de estos desafíos de deslumbrantes, una ola de innovaciones en materiales semiconductores, arquitectura de circuitos y diseño a nivel de sistema permite amplificadores RF de próxima generación para IoT y M2M. Las secciones siguientes destacan los desarrollos más prometedores.

Gallium Nitride (GaN) y Gallium Arsenide (GaAs)

Las tecnologías GaN-on-Si y GaN-on-SiC han madurado significativamente, ofreciendo tres a cinco veces mayor densidad de potencia que las contrapartes de los GaAs o el silicio. Para las aplicaciones IoT que requieren una alta potencia de salida en una pequeña huella, como las pasarelas industriales M2M y los nodos de sensores de alta potencia, GaN permite a las PA con una sola potencia.

Predistorsión digital (DPD) para sistemas de IoT compactos

DPD ha sido estándar en estaciones base y Wi-Fi de alta gama, su implementación en dispositivos IoT fue poco práctico debido a la sobrecarga de energía y área. Sin embargo, los avances en receptores de retroalimentación de baja potencia y algoritmos de adaptación ligeros ahora permiten que DPD se integre en IoT SoCs sin aumentar significativamente el drenaje de la batería.

Técnicas de seguimiento y doherty en los regímenes de baja potencia

Los sensores de alta potencia de la tecnología de alta potencia (ET) optimizan la tensión de suministro de PA en tiempo real para seguir el sobre RF, mejorando dramáticamente la eficiencia promedio. Históricamente, ET se reserva para bases de alta potencia, pero nuevos convertidores de doble inductor multi-output (SIMO) DC-DC y moduladores de sobre de alta velocidad se están desarrollando para niveles de potencia móviles e IoT (20-2).

Paquetes avanzados e integración heterogénea

Para superar las limitaciones de tamaño de las PAP discretas, las tecnologías avanzadas de embalaje están permitiendo la combinación de materiales de fundición óptimos en un solo módulo. Envasado de nivel de onda (FOWLP) con inductores y condensadores integrados reduce el número de componentes externos, mientras que los vias de vidrio (TGV) mejoran la difusión de calor.

Amplificadores definidos por software y reconfigurables

Como los estándares de IoT siguen fragmentando, la capacidad de reconfigurar la PA para diferentes bandas y niveles de potencia es altamente deseable. redes de ajuste reconfigurables utilizando conmutadores MEMS, varacadores o conmutadores CMOS SOI pueden sintonizar la impedancia de carga de PA para optimizar la eficiencia y la linealidad en cada frecuencia de operación. Combinados con el rendimiento ajustable de sesgo y el voltaje de suministro, estos PAP pueden cubrir simultáneamente un rango de frecuencia multi-

Diseño y optimización de entrada en línea

El aprendizaje automático está empezando a impactar el diseño de amplificadores RF. Los algoritmos de IA pueden explorar vastos espacios de parametros de dimensionamiento transistor, topología de red igualada y condiciones de sesgo más rápido que la iteración manual. Los modelos generadores se utilizan para sintetizar nuevas topologías de red que satisfacen objetivos de impedancia a través de la frecuencia.

Conclusión

El diseño de los amplificadores RF para aplicaciones emergentes IoT y M2M sigue siendo una disciplina exigente que requiere una navegación cuidadosa de los intercambios entre potencia, eficiencia, linealidad, tamaño y costo. Sin embargo, el rápido avance de materiales semiconductores, arquitecturas de circuitos y técnicas de integración está empujando los límites de lo que es posible.

Para una mayor lectura sobre técnicas específicas, véase los siguientes recursos: