Les exigences croissantes des amplificateurs de puissance dans la radio définie par le logiciel

La radio définie par logiciel (SDR) a transformé les communications sans fil modernes en changeant le traitement du signal du matériel fixe au logiciel reconfigurable. Cette flexibilité permet à une seule plate-forme radio de supporter plusieurs formes d'onde, bandes de fréquences et normes – des liaisons tactiques HF au millimètre-onde 5G. Cependant, la partie avant de la fréquence radio (RF), en particulier l'amplificateur de puissance (PA), reste un goulot d'étranglement. Un PA destiné à SDR doit fonctionner sur une large bande passant par une large bande passant souvent par une ou plusieurs octaves, tout en offrant une linéarité et une efficacité élevées.

L'importance de l'AP dans un DTS ne peut être surestimée. Il consomme la majorité de la puissance du système en courant continu, génère le plus de chaleur et détermine en grande partie la fidélité globale du signal. Comme les DTS poussent vers l'agrégation de porteuses, la radio cognitive et l'accès dynamique au spectre, l'AP doit maintenir ses performances sur des gammes de fréquences toujours plus larges sans sacrifier l'efficacité ou la linéarité.

Défis fondamentaux dans la conception de l'amplificateur de puissance à large bande

La conception d'un PA qui fonctionne bien sur une large bande passante implique un jeu complexe de contraintes électriques, thermiques et physiques. Les principaux obstacles techniques sont :

Linéarité et fidélité du signal

Pour éviter la repousse spectrale et la distorsion en bande, l'AP doit fonctionner dans une région presque linéaire. L'amplification linéaire sur une large gamme de fréquences est difficile parce que les caractéristiques de gain et de phase du transistor varient avec la fréquence. Toute non-linéarité dégrade l'amplitude du vecteur d'erreur (EVM) et peut violer les masques spectraux réglementaires.

Efficacité à travers la largeur de bande

Une efficacité élevée est essentielle pour réduire la dissipation de chaleur et prolonger la durée de vie de la batterie dans les DTS portables. L'efficacité d'un PA conventionnel atteint des sommets près de sa puissance de sortie saturée, mais l'efficacité diminue fortement aux niveaux de recul typiques pour les signaux à haut débit. L'utilisation à large bande est composée de ce qui suit : des réseaux de couplage d'impédance optimaux à une fréquence peuvent entraîner une baisse d'efficacité chez d'autres.

Correspondance d'impédance à large bande

Un PA fournit une puissance maximale lorsque l'impédance de sortie du transistor est adaptée à la charge (habituellement 50 ↓). Cependant, l'impédance optimale de charge du transistor varie avec la fréquence en raison de ses parasites intrinsèques. La conception d'un réseau assorti qui présente la bonne impédance sur une large gamme de fréquences sans perte excessive n'est pas triviale.

Gestion thermique dans les PA à large bande dense

Les PA à large bande nécessitent souvent des étapes de gain multiples ou une combinaison de dispositifs pour couvrir la bande passante souhaitée, augmentant la densité de chaleur. Une mauvaise gestion thermique conduit à des températures de jonction élevées, ce qui réduit la fiabilité, dégrade l'efficacité et déplace les caractéristiques de performance du transistor. Les modules modernes de DTS sont de plus en plus compacts, laissant peu de place aux puits de chaleur volumineux.

Approches de conception novatrices pour les amplificateurs de puissance SDR à large bande

Les chercheurs et les ingénieurs ont mis au point plusieurs techniques puissantes pour relever les défis susmentionnés.Ces innovations ne s'excluent pas mutuellement; souvent, les meilleures AP à large bande combinent plusieurs approches.

1. Réseaux de correspondance à large bande et topologies distribuées

Pour fonctionner en bande large, les concepteurs utilisent des transformateurs à impédance multisections (comme les transformateurs Chebyshev ou binomial) qui assurent une transformation progressive de l'impédance sur la fréquence. Les réseaux à éléments lumped avec plusieurs étages peuvent également être utilisés à des fréquences micro-ondes inférieures. Une autre approche puissante est la topologie de l'amplificateur distribué (DA), qui utilise une structure de ligne de transmission pour combiner les sorties de plusieurs transistors. L'AD fournit intrinsèquement une bande passante multioctave, une excellente plane gain et une bonne correspondance entrée/sortie.

Des recherches récentes ont également exploré des réseaux de couplage non-Foster, qui utilisent des circuits actifs pour annuler les réactions parasitaires, permettant théoriquement une bande passante indéfinie. Cependant, les problèmes de stabilité et de bruit ont jusqu'à présent limité l'adoption pratique.

2. Technologie de transistor à nitride de gallium (GaN)

Aucune innovation n'a eu un impact plus important sur les performances de PA à large bande que les transistors GaN-on-SiC. La mobilité élevée des électrons et la haute tension de panne permettent de fonctionner à des tensions de drain beaucoup plus élevées (28 V à 50 V ou plus) que les appareils GaA ou LDMOS au silicium. Cela se traduit par une impédance de sortie plus élevée, ce qui simplifie la correspondance à large bande. De plus, l'excellente conductivité thermique GaN-S (surtout sur les substrats SiC) permet une plus grande densité de puissance. Les GAN HEMTs peuvent fournir des dizaines de watts de puissance de sortie sur des largeurs de bande supérieures à une décennie. Par exemple, un module commercial GAN PA évalué à 20 W peut couvrir 2–18 GHz avec un gain plat et une bonne efficacité.

3. Prédistorsion numérique (DPD) pour la linéarisation à large bande

Dans un système DPD, le processeur de base modélise le comportement de PA= (généralement en utilisant des polynômes de mémoire ou des réseaux neuronaux), puis pré-invertit le signal de façon à ce que la cascade de prédistors et de PA produise une sortie linéaire. Pour les DTS à large bande, DPD doit gérer les non-linéarités dépendantes de la fréquence – un défi connu sous le nom d'effets de mémoire. Les algorithmes avancés DPD qui intègrent plusieurs robinets et la mémoire à terme peuvent linéariser les PA sur des largeurs de bande de 100 MHz ou plus. L'intégration de DPD dans un DTS est naturelle, car le traitement numérique existe déjà dans le système.

4. Suivi de l ' enveloppe (ET) pour améliorer l ' efficacité

Le suivi de l'enveloppe module la tension d'alimentation du PA en temps réel pour suivre l'enveloppe du signal RF. Ceci permet au transistor de fonctionner près de sa zone de pointe même aux niveaux de puissance de recul. Bien que l'ET ait été déployé avec succès dans les PA 4G/5G, son application aux DTS à large bande est plus difficile parce que la bande passante de l'enveloppe doit être plusieurs fois plus large que la bande passante du signal RF pour maintenir la précision du suivi.

5. Architecture Doherty avec support large bande

L'amplificateur principal fonctionne dans la classe AB, tandis que l'amplificateur de crête s'allume à des niveaux de puissance plus élevés. Traditionnellement, les amplificateurs Doherty ont une bande passante relativement étroite (~10–15 %) en raison du réseau d'onduleurs d'impédance requis. Cependant, des innovations récentes telles que des topologies Doherty modifiées avec des onduleurs multisections, un fractionnement asymétrique de puissance et un contrôle numérique des points de biais ont étendu la bande passante pour couvrir une octave complète ou plus. Par exemple, un Doherty PA large couvrant 1,5–3,0 GHz avec une efficacité moyenne de 40% à 6 dB back-off a été démontré. Combiner Doherty avec DPD donne une combinaison puissante pour les applications SDR nécessitant une efficacité et une linéarité élevées.

Étude de cas : Module pratique de DTS GAN PA à large bande de 2-6 GHz

Pour mettre en place ces concepts en réalité, il faut considérer un exemple récent d'un entrepreneur de défense : un module GaN PA large bande de 2-6 GHz destiné à un DTS multimissions. Le module utilise une topologie en deux étapes : un étage conducteur utilisant un transistor GaN de 0,15 μm et un étage final utilisant un HEM GaN de 0,25 μm. Le pilote fournit 20 dB de gain, et l'étape de sortie est conçue pour fournir 30 dBm (1 W) à une compression de 1 dB avec un rendement de drain supérieur à 35 % sur toute la bande. Le couplage à large bande est réalisé au moyen d'un transformateur multisections à microstrip fabriqué sur un substrat à faible perte (Rogers 4350B).

Matériaux et technologies émergents pour les AP à large bande de prochaine génération

La recherche sur les matériaux continue de se poursuivre grâce à la poussée incessante vers des fréquences plus élevées et des bandes passantes plus larges.

Substrats GaN-on-Diamond

En remplaçant SiC par du diamant synthétique, la conductivité thermique double presque (2000 W/mK vs. ~400 W/mK pour SiC). Cela permet aux transistors GaN de fonctionner à des densités de puissance beaucoup plus élevées sans fuite thermique. Les prototypes ont démontré des densités de puissance supérieures à 40 W/mm à la bande X, ce qui pourrait se traduire par des PA plus compacts à large bande pour les DTS. Une ressource utile sur GaN-on-diamond est disponible à partir de EE Times.

AlGaN/GaN HEMTs avec des couches tampons optimisées

Les progrès de la croissance épitaxiale ont amélioré la mobilité des électrons et réduit les densités de pièges, ce qui a réduit les effets de la mémoire et amélioré la linéarité à large bande passante.

Technologies des ondes ferroélectriques et acoustiques

De nouveaux matériaux ferroélectriques à film mince (par exemple, BaSrTiO3) offrent des condensateurs à tension, permettant une correspondance adaptative en temps réel. Un réseau de correspondance à réglage numérique pourrait ajuster l'impédance de charge PA en fonction des changements de fréquence, en maximisant l'efficacité dans toute la bande.

Innovations en gestion thermique pour les AP à large bande compactes

La gestion thermique devient un facteur limitant à mesure que les densités de puissance augmentent.

  • Refroidissement microfluidique par embranchement : Les canaux directement gravés dans le substrat près du transistor permettent au liquide de refroidir la chaleur, ce qui peut réduire les températures de jonction de 30 à 50 °C par rapport aux puits de chaleur conventionnels.
  • Chauffage à l'aide de diamants C.V.D.: Les couches de diamants à dépôts de vapeur chimiques (C.V.D.) peuvent être cultivées ou collées à l'arrière des wafers GaN.
  • Régleurs thermoélectriques (TEC):[ Les refroidisseurs Peltier intégrés peuvent refroidir activement le dispositif PA en dessous de l'environnement, améliorant ainsi l'efficacité et la linéarité.

Tendances de l'intégration : Vers des AP à large bande à l'intérieur du système d'emballage

Les fabricants de SDR passent de plus en plus de modules PA discrets à des solutions entièrement intégrées de système en emballage (SiP) qui combinent le PA, des réseaux correspondants, des circuits de biais et même le moteur DPD sur un seul substrat. Pour fonctionner en large bande, cela nécessite un isolement électromagnétique prudent entre les sections numérique et analogique, ainsi que des interconnections à faible perte. Les technologies d'emballage avancées telles que les matrices embarquées, les vias à travers le verre et l'intégration hétérogène de GaN et Si CMOS permettent ces modules compacts.

Orientations futures : Conception et contrôle cognitif optimisés de l'AP

Pour les DTS, un PA cognitif qui détecte sa fréquence de fonctionnement, sa température et son niveau de puissance, puis ajuste automatiquement son circuit de biais et de couplage, pourrait atteindre une efficacité et une linéarité quasi optimales à chaque point de sa bande passante. Un tel contrôle en boucle fermée nécessite des processeurs numériques rapides et des algorithmes avancés, mais le traitement numérique inhérent au DTS en fait une plateforme idéale.

Un autre domaine prometteur est l'utilisation de réseaux de combinaison de puissance reconfigurables. En permettant ou en inactivant de multiples cellules PA, la puissance et l'efficacité globales de sortie peuvent être optimisées pour différentes formes d'onde. Ceci est analogue à la gestion de la puissance dans les processeurs numériques. Un SDR large bande pourrait, par exemple, utiliser quatre cellules unitaires 1 W pour une sortie 4 W, ou les combiner pour une explosion de 10 W. Le défi consiste à maintenir une impédance large bande correspondant à différents états de combinaison.

Conclusion

Au cours de la dernière décennie, les innovations dans le domaine de la correspondance à large bande, de la technologie du transistor GaN, de la prédistortion numérique, du suivi de l'enveloppe et de l'emballage thermique avancé ont considérablement amélioré les performances des PA à large bande. Les systèmes qui, autrefois, ne couvraient qu'une seule octave couvrent maintenant plusieurs octaves avec efficacité et linéarité qui remettent en question les meilleures conceptions à bande étroite.