Nykyaikaiset elektroniset järjestelmät vaativat yhä enemmän kompaktia, tehokasta tehovahvistinta (PA), joka sopii ahtaisiin tiloihin ilman uhraamista. Kuutiosta ja 5G-pienistä soluista kannettaviin sotilasradioihin ja internet-lähettimiin (IoT) painetta vähentää PA-jälkeä ei ole koskaan ollut suurempi. Pienempi PA säästää arvokasta lautakiinteistöä, helpottaa lämpöhallintoa, alentaa materiaalikustannuksia ja usein parantaa järjestelmän yleistä tehokkuutta vähentämällä yhteenliitäntöjen menetyksiä.Miaturization tuo kuitenkin suuren määrän vaihto-offeja, joihin liittyy teho, lineaarisuus, kaistanleveys ja luotettavuus. Tässä artikkelissa tarkastellaan keskeisiä haasteita ja esitetään todennettuja strategioita.

Tehovahvistinten jalanjäljen haasteiden ymmärtäminen

Tehovahvistimet ovat luonnostaan tilavia, koska niiden on käsiteltävä suurjännite- ja virtapiirit, hajotettava merkittävä lämpö ja niihin on sisällyttävä suuria passiivisia komponentteja impedanssin täsmäyttämiseksi, harhauttamiseksi ja suodattamiseksi. Tyypillisessä PA-moduulissa aktiivinen puolijohdekerros voi olla vain murto-osa kokonaispinta-alasta; loput kuluttavat syöttö/tuotos-yhteensopivat verkot, irrotuskondensaattorit, sidelangat ja lämmönlevittimet. Parasiittiset induktanssit ja kapasitanssit pakkauksista ja liitoksista, jotka heikentävät entisestään suorituskykyä, pakottavat suunnittelijat käyttämään suurempia ja matalampia hävikkikomponentteja. Lämpöjohtaminen on erityisen ongelmallista tai sitä on korvattava tehokkaammilla vaihtoehdoilla. Ymmärtäminen Nämä perusrajoitukset ovat ensimmäinen askel kohti tehokasta miniaturisointia.

Strategiat tehonvahvistinkoon minimoimiseksi

Integraatio

Modernit GaA- ja GAN-MSIC-laitteet yhdistävät useita vahvistinvaiheita, harhaverkkoja ja jopa kuljettajavahvistimia, joiden jalanjälki on muutama neliömillimetri. Esimerkiksi yksisiruinen PA, jossa on on-chip-tulo/tuotos-yhteensopivuus, voi korvata monisirumoduulin, joka olisi nelin-viisinkertainen ja joka myös yksinkertaistaa suunnittelua ja parantaa luotettavuutta vähentämällä juottajan niveliä ja sidontajohtoja. Johtavat elementit, kuten Qorvo ja Analogiset laitteet tarjoavat pois päältä -ohjattavia integroituja PA-moduuleja, jotka osoittavat nämä edut tuotantosovelluksissa ([FLT]]).

Tehokkaiden teknologioiden käyttöönotto

Korkeampi lisäteho (PAE) tarkoittaa vähemmän hukkalämpöä, mikä vähentää suoraan lämmönkäsittelyn komponenttien kokoa ja painoa. Galliumnitrioksidi (GaN) piikarbidilla (SiC) on tullut teknologiaksi, joka tarjoaa mahdollisuuden valita suuritehoisille, kompaktille Pas-teholle, joka on laaja kaista, suuri hajotusjännite ja erinomainen lämmönjohtavuus. GAN PA:t voivat toimia myös pienemmillä lämpönieluilla, 28..65 V:n myydyillä kuparilevittimillä, jotka mahdollistavat erittäin suuret lähtötehon tiheydet (5...10 W/mm) ja mahdollistavat tietyn tehotason saavuttamisen paljon pienemmällä kaistalla kuin GaAs tai pii LDMOS. Pienempi tuotantokapasitanssi ja suurempi impedanssi yksinkertaistavat yhteensopivuutta verkkoja, mikä pienentää entisestään jalanjälkeä.

Suunnitteluoptimointi edistyneellä simulaatiolla

Minimointi PA-jalanjäljen alkuvaiheesta. Ei-lineaaristen harmonisten tasapainosimulaattoreiden ja sähkömagneettisten (EM) analyysien avulla insinöörit voivat optimoida transistorien reunat, impedanssin yhteensovittamisverkot ja ulkoasuloitsut saavuttaakseen tavoitteen suorituskyvyn pienimmällä mahdollisella alueella. Kuorma-aukon mittaukset ja tekoälyyn perustuvat optimointityökalut nopeuttavat kompaktien yhteensopivuustopologioiden etsintää.Kykyjen ja Altairin kaltaiset yritykset tarjoavat erikoistyökaluja, jotka tekevät näistä jaetuista siirtolinjoista .Kohtaustilan säästäminen jopa muutamalla gigahertsillä taajuudella mahdollistaa myös monikerroksisten substraattien huolellisen suunnittelun, jossa induktorit ja siirtojohdot voidaan upottaa aktiivisten komponenttien pinoon, vapauttaen esimerkiksi 0,5 mm:n bond-lanka voi vähentää loisinduktanssia ja mahdollistaa pienemmän vastaavan kapasitorin.

Lämpöhallinnointi-innovaatiot

Tehokas lämmönpoisto on usein PA-minitaroinnin rajatekijä. Perinteiset lähestymistavat perustuvat suuriin alumiinin lämpönieluihin pakotetulla ilmalla, mutta tilakomponentteihin tarvitaan luovempia ratkaisuja. Mikrokanavaiset lämpönielut, jotka kierrättävät jäähdytysainetta suoraan alustaan ja jotka sisältävät jäähdytystä alimillimetrikanavien kautta, voivat tarjota >10x paremman lämmönsiirron kuin perinteiset menetelmät. Korkeatehoisten GAN-paneeleissa, upotettu kaksivaiheinen jäähdytys (esim. höyrykammiot tai lämpöputket) voivat levittää lämpöä suuremmalle alueelle ilman paksuutta. Lämpöä voidaan käyttää kuparin eristystä. Näiden innovaatioiden avulla PA voidaan sijoittaa ahtaampiin paikkoihin ilman poistovoimaa muissa RF-komponenteissa.

Pinta- Mount komponentit ja kehittynyt pakkaus

Modernit korkean tehon SMD-paketit, kuten QFN (litteä ei-johtoinen) ja maaverkkosarja (LGA), voivat käsitellä jopa kymmeniä watteja, kun ne on suunniteltu asianmukaisesti useilla maapinnoitteilla ja suojatuilla tyynyillä. 3D-pakkaustekniikat. Valitse lämpö- ja RF-vaatimukset vastaava paketti, esimerkiksi GaN-paketti, joka ei käytä STMicroelectronics-passiivinen komponentteja tai muuta kuolea pystysuoraan päälle PA, säästää sivutilaa. Kuparipilarit korvaavat lankasiteet, vähentävät loisinduktanssia ja mahdollistavat tiukemman die-sijoituksen. Ku-kaista- ja Ka-kaistan satelliittisovelluksille, keraaminen palloverkko (BGA) on nousemassa, ja tarjoavat jopa 50 prosenttia moduulien alueesta verrattuna perinteisiin ruuvitaukkoihin. Avain on valita paketti, joka vastaa lämpö- ja RF-vaatimuksia; esimerkiksi GaN-paketti voi käyttää isoa kuparia, jonka avulla voidaan poistaa.

Kehittyvä teknologia ja tulevaisuuden kehityssuunnat

Ultralaajakaista (UWB) Pas käyttäen epäyhtenäisiä jakamattomia tomologioita tai CMOS-GaN-prosesseja voi kattaa useita taajuuksia (esim. 0,5.....0.5..18 GHz) yhdessä kaistassa, jolloin eri taajuuskaistojen erillisten vahvistimien tarve poistuu. Lisäksi siirtyessä kohti järjestelmän segmentoitua vääristymää (DPD) ja digitaalista esivääristymää (DPD) 5Gray-asemat voivat käyttää suurempia tehokkuuspisteitä, jolloin vähennetään hukkalämpöä ja siten jäähdytystä. Heterogeeninen integrointi. Heijastus (Haja) RF-rakenteiden kuten muunnelmien kanssa yhteenliitäntäverkkojen avulla voidaan pian mahdollistaa jopa tiukempi pakkaus. Lisäksi siirtyessä kohti järjestelmää (SiP) ja modulointiasemat (SiP) voivat toimia yhdessä siru-mittaisen jalanjäljen kanssa.

Päätelmät

Avaruusrajoitteisten sovellusten tehovahvistimien jalanjäljen pienentäminen edellyttää kokonaisvaltaista lähestymistapaa, joka tasapainottaa puolijohdeteknologiaa, piirisuunnittelua, pakkausta ja lämpötekniikkaa. Integraatio, korkean hyötysuhteen materiaalien kuten GAN:n käyttö, simulointivetoinen optimointi sekä innovatiiviset jäähdytys- ja pakkaustekniikat edistävät merkittäviä koon pienenemisiä. Mikään yksittäinen ratkaisu ei sovi kaikkiin tapauksiin; parhaat tulokset saadaan yhdistämällä useita strategioita, jotka on räätälöity tiettyyn tehotasoon, taajuuteen, ympäristöolosuhteisiin ja kustannustavoitteisiin. Pysymällä ajan tasalla uusista teknologioista. Heterogeeninen integrointi ja 3D-pakkaus.