התקדמות חדשה ב Power Amplifier Frequency Multiplier Circuits for Generation Signal

הביקוש אותות תדר גבוהים יותר בתקשורת אלחוטית, מכ"ם, ומכשיר ממשיך להניע חדשנות במעגלים מכפילים בתדרים.עיגולים אלה, לעתים קרובות מעוצבים במשותף עם מגברי חשמל, מאפשר לדור של מיקרוגל ומילימטר-גלימות גלי גלי גלי גלי תדר נמוך יותר, מקורות יציבים.ההתקדמות האחרונים בחומרים מוליכים למחצה, מעגלים להתנצלות, וטכניקות אינטגרציה שיפרו באופן משמעותי את היעילות, התפוקה, הכוח, וספקי של טכנולוגיות כוח וגמישות של אותם, לחקור את עקרונות תדרים מודרניים.

הבנה של Frequency Multiplier Circuits

מכפיל תדר הוא מעגל אלקטרוני לא ליניארי המייצר אות פלט אשר תדירותו הוא מספר integer (N) של אות קלט נמוך יותר קידוד.הגורם הרב-הכפלה N יכול לנוע בין 2 (doubler) ל 10 ומעלה, אם כי מכפילים מעשיים בדרך כלל משתמשים N=2 או 3 כדי לשמור על יעילות ההמרה ודיכוי הרמוני.

עקרונות יסוד

ריבוי תדירות מסתמך על אי-לינאריות במכשיר, בדרך כלל דיודה או טרנסיסטאור, כדי ליצור הרמוניות של אות קלט בסיסי. a כוח מגבר בשרשרת ההכפלה מספק רווח לפצות על אובדן המרה ומגביר את הנזק הרצוי לרמות כוח שימושי.

  • (FLT:0) לא ליניארי מכשיר FLT:1 - לעתים קרובות דיודה שאטקי, varactor diode, או transistor מוטה באזור לא ליניארי לייצר הרמוניות.
  • (ב) ,0) ,9 תואמים את רשת השידור: 1 - אופטימיזציה של כוח העברה ממקור הקלט בתדירות הבסיסית.
  • (FLT:0Output תואם וסינון רשת: 1) בחר את הנזקי הרצוי (למשל 2fo, 3fo) תוך דחיית נזק בסיסי ולא רצוי.
  • (ב) ,0) ,מגבר על שלב ה- 1 (ה-Amplif) של ה-FLT (ה-Amplif) הוא ה-FLT: Amplifes the selected the selected to the need power power level.

במעגלים רבים של מכפילים מודרניים, מגבר החשמל ומשכפלים משולבים באותו שבב או מודול, צמצום אובדן חיבור ושיפור יעילות.

ביצועי מפתח

הערכת מכפיל תדר דורשת הבנה של כמה פרמטרים קריטיים:

  • (FLT:0) רווח (או אובדן) FLT:1) יחס של כוח פלט בנזק הרצוי להזנת כוח. מכפילים פעילים יכולים לספק רווח ההמרה חיובי, בעוד מכפילים פסיביים יש אובדן מוחלט (בדרך כלל 6 עד 15 dB עבור מכפילים).
  • (FLT:0) דחיית ההדרומית (HarmonicדחייהFLT:1) - יחס הדיכוי של הרמונית הרצויה להרמוניה הקרובה ביותר.
  • (ה) ⁇ :0Output power and Power-aded יעילות (PAE)FLT:1 - עבור מכפילים מגבריים, כוח התפוקה ו- PAE מגדירים את ביצועי המערכת הכוללת.
  • (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"ד): "המספר של תדרי הקלט אשר עליהם שומר הכפל על ביצועו.
  • (FLT:0) פיזור רעש של פלס (Phase רעש) 1:1 - באופן תיאורטי, רעש שלב מתפוגג על ידי 20-log(N) dB יחסית למקור. עיצובים נמוכים ממזער רעש עודף מהכפל עצמו.

תפקיד ה-Power Amplifiers in Frequency Multiplication

מגברי חשמל (PAs) משרתים תפקידים כפולים במעגלים של תדר מודרני. ראשית, הם מניעים את המכשיר הלא ליניארי עם מספיק כוח כדי ליצור הרמוניות חזקות. שנית, הם מגבירים את הרמונית שנבחרה לאחר סינון, לעתים קרובות לספק את הכוח הסופי הנדרש ליישום. integraing את הרש"פ ישירות לתוך שרשרת ההכפלה - לפעמים שיתוף אותו מכשיר טרנסיסטאור - מקטין את ספירת הרכיבים ומשפר את היעילות.

בעיצובים מתרבים פעילים, transistor יחיד יכול לפעול במקביל כמו גנרטור הרמוני לא ליניארי ואת המגבר.לדוגמה, GaN HEMT מוטה בכיתה-B או Class-C המבצע מייצר הרמוניות חזקות אפילו סדר תוך מתן רווח.הרשת ההתאמה של טרנסטור נועד לחדש 2 או 3, לשקף נזקים לא רצויים גישה זו הוא משותף ל- Xbandlinks.

כאשר מכפיל דיסקרטי ומטמים מגבר משמשים, הרשות הפלסטינית חייבת להתמודד עם הפלט של ההכפלה מבלי להציג עיוות נוסף.התאמה בין-שלבית וסינון נדרשים לשמור על טוהר ספקטרלי. Advanced PA topogies, כגון Doherty או Outphasing, מותאמים לשרשראות מכפיל כדי לשפר את היעילות של כוח back-off, אשר רלוונטי במיוחד במערכות תקשורת עם פסגות גבוהות (יחסי כוח).

החידושים החומריים Semiconductor Materials

הביצועים של מכפילים בתדרים מגברי כוח קשורים ביסודה לטכנולוגיה המוליכים למחצה.ההתקדמות החומרית האחרונה - במיוחד גליום ניטרייד (GaN) - אפשרו כוח תפוקה גבוה יותר, יעילות טובה יותר ורוחב רחב יותר בהשוואה למכשירים סיליקון מסורתיים או גירוד (GaAs) סיליקון מסורתי.

גליום ניליד (GaN)

GaN High-electron-mobility Transistors (HEMTs) מציע מספר יתרונות עבור יישומים מכפילים תדירות:

  • (FLT:0) צפיפות כוח גבוהה דחיסות FLT:1 - מכשירי GaN יכולים להתמודד עם 10 פעמים יותר כוח רוחב שער יחידה מאשר GaAs, המאפשר עיצובים כפולים קומפקטיים עם עשרות וואטים פלט בתדרי מיקרוגל.
  • (ב) ,0) וייד התאספות (FLT:1) - פעילות Enables בטמפרטורות צומת גבוה, מפשט ניהול תרמי במערכות כוח גבוהות.
  • (ב) ,0) ,0) התמוטטות גבוהה של מתחים (FLT:1) - מאפשר תנודות מתח גדולות יותר, אשר מועיל ליצירת הרמוניות חזקות.
  • (FLT:0)BroadbandventsFLT:1 - GaN טרנזיסטורים יש רווח פנימי על הרבה octaves, המאפשר מכפילים לפעול מ C-band ל Ka-band באותו מכשיר.

כפולים פעילים מבוססי GN הפגינו את כוחות התפוקה העולה על 5 W עם יותר מ-30% PAE ב Q-band (33-50 GHz) רמות הביצוע הללו היו בעבר בלתי ניתנות להשגה עם GaAs PHEMTs. עבור צלילה עמוקה יותר לתוך GaN עבור יישומי גלי מילימטר, ראה את הביקורת מקיפה ב FLT:0IEEEEE Magazineure .

גליום ארנסןד (GaAs) ו-Indium Phosphide (InP)

למרות הדומיננטיות של GaN באנרגיה גבוהה, GaAs ו-InP נשארים חשובים עבור מכפילים גבוהים מאוד (מעל 100 GHz) ב-InP כפול-heterojunction bi transistors (DHBTs) מציעים ביצועים מצוינים גבוה עם תפוקת גבוהה ורעש בשלב נמוך.עבור thertz מכפילים (300 GHz ומעבר), שרטוטים על גבי רמות נמוכות עדיין השיגו תדרים כפולים על ידי GCAG.

כל מערכת חומרית מציגה את ה- Trading-offs: GaN for Power and רוחב פס ב- מילימטר-גלי, InP לתדירות גבוהה יותר, וג'אס ליישומים בעלי כוח בינוני לא יעיל בטווח של 30-100 GHz.

שיטות מתקדמות להתנצלות ועיצוב

מעבר לשיפורים חומריים, ארכיטקטורות מעגלים חדשניות דחפו את המעטפה של מכפילים בתדרי חשמל.

הדור ההרמוניה וטכניקות סינון

הדור ההרמוני הפגום דורש את המכשיר הלא ליניארי לייצר הרמוניות חזקות תוך דיכוי ההוראות הבסיסיות והלא רצויות האחרות.

  • (ב) ,0) הטיות של ק"ג (C) 1:1 - Transistor Conduction זווית פחות מ-180 מעלות יוצר תוכן הרמוני עשיר.
  • (FLT:0) סיום הארמונית (FLT:1) - Open-circuit או קיצור של סיום משמעת בהרמוניה מסוימת (למשל, השתקפות שנייה-הרמוניה) משפרת את רווח ההמרה.
  • (FLT:0) פילטרים מסינון מסנן 1FLT - מסננים קו שידורים או מסננים מקובצים של להקות משולבות ברשת הפלט כדי לבחור את הנזק הרצוי עם דחייה גבוהה.
  • (FLT:0) ביטול הרמוני חזק הרמוני (FLT:1) - שימוש במכשירים מרובים בהגדרות דחופות או מאוזנות כדי לבטל את הנזקים הבסיסיים והמוזרים תוך חיזוק הנזקים השני.

איזון ו Push-Push Multipliers

מכפילים פוש-פוש משמשים נרחב עבור ריבוי הזמנה (בעיקר כפול) כי הם מבטלים מטבעם הרמוניות מוזרות מוזרות.הטופולוגיה מורכבת משני מכשירים לא ליניאריים זהים המונעים 180 מעלות מתוך שלב; הפלטים משולבים בשלב השני הרמונית.גישה זו מספקת דחייה בסיסית מעולה (בדרך כלל <20 dBc) ללא סינון נוסף.

ההתנצלות הזו אטרקטיבית במיוחד כאשר היא מתאחדת עם מגברי חשמל.המבנה המאוזן משפר גם את הקלט והפלט המתואמים מעל רוחב פס רחב יותר.לביצוע מעשי, ה-FLT:0Analog מכשירים טכניים מאמר על דליפת כפולים מפוסקים FLT:1 מציע תובנות עיצוב.

פעיל לעומת פאסיבי Multipliers

מכפילים פעילים (באמצעות טרנזיס כמרכיב לא ליניארי) מספקים רווח המרה, אך מגיעים עם רעש גבוה ומורכבות. מכפילים פסיביים (באמצעות דיודות שטאקי) מציעים רעש בשלב נמוך מאוד ויכולים לפעול לתדרים גליים תת-מילימטריים, אך בדרך כלל יש אובדן המרה של 5-15 dB, הדורש מגבר גבוה לפני ההכפלה במערכות מודרניות רבות, במיוחד עם אלה המשולבים, הם מעדיפים את הגדלים באופן כללי.

מחקרים אחרונים חקרו מכפילים מנוגדים של FET, שבו הטרנזיטור משמש כמתנגד מבוקר מתח.אלה מספקים לינאריות גבוהה ויכולים להתמודד עם כוח קלט גבוה עם עיוות מינימלי.הם צוברים מערכת במערכות פס אולטרה-רחב שבו תוכן מעורר השראה נמוך הוא קריטי.

אתגרים עיצוב ופתרונות

למרות ההתקדמות, תכנון של מכפילים בעלי ביצועים גבוהים של כוח מגבר נשאר מאתגר. סוגיות מפתח כוללות לא ליניאריות, ניהול תרמי ומבצע פס רחב.

אי-אלימות ודיכוי הרמוני

הלא ליניאריות הטבועית של ההכפלה מייצרת מגוון של הרמוניות מעבר לרצונו.הלחיצת דיכוי הרמוני גבוה ללא הוספת מסננים גדולים קשה, במיוחד בתדרים ממטרים שבהם הפסדי מסנן גבוהים.

  • גילוי מוקדם של גלפור קלט כדי לעצב את הפלט הרמוני.
  • שילוב של שלבים מכפילים מרובים ב cascade עם סינון ביניהם.
  • שימוש בהתנצלות שונה אשר מבטלת אפילו או מוזרות על ידי עיצוב.

ניהול ארס

מכפילים בעלי כוח גבוה, במיוחד אלה עם הרש"פ המשולבות, מייצרים חום משמעותי טמפרטורות צומת מעל 200 מעלות צלזיוס להפחית את האמינות ויעילות.ניהול תרמי יעיל מסתמך על:

  • מצע עם מוליכות תרמית גבוהה, כגון סיליקון carbide (SiC) או יהלום.
  • חבילות עם מפיץ חום.
  • הפריסה אופטימיזציה של כוח טרנסיסטאור למזער התנגדות תרמית.

מבצע פס רחב

יישומים רבים דורשים מכפילים הפועלים על octave או יותר.Achieving רוחב פס רחב תוך שמירה על רווח המרה ודחייה הרמונית קשה כי רשתות התאמה הן צר פס. Distributed ו-Travel-wave topogies מותאמים עבור מכפילים, באמצעות מכשירים קטנים רבים בשילוב במבנה הסולם כדי להרחיב רוחב פס.

יישומים בתעשיות

מכפילים של תדרי חשמל הם מרכיבים קריטיים במערכות רבות של גבוה:

  • (FLT:0Satellite Communications (SATCOM) ReveFLT:1) - Uplink Transponders in C-, Ku-, ו- Ka-bands להשתמש בכפליים ו- משולשים כדי ליצור אותות בעלי עוצמה גבוהה מפולנים מקומיים נמוכים יותר. GaN מכפילים עם כוחות מעל 10 W הם כעת סטנדרטיים במגברים חזקים של כוח (SSPA) עבור לוויינים מקומיים.
  • (FLT:0)Radar SystemsphsFLT:1 - מכ"ם אווירי והגנה דורש אותות נקיים, בעלי יכולת גבוהה ב- X-band, Ku-band, ו-W-band. Multipliers עם רעש בשלב נמוך ודחייה הרמונית גבוהה לשפר את זיהוי טווח היעד ורזולוציה.מודרני מנגנונים סרומים אלקטרוניים פעילים (AESA) משתמשים במכפלי דגימה כדי להאכיל כל אלמנט.
  • (FLT:05G ו-6G NetworksFLT:1) - תחנות בסיס וציוד משתמש לפעול בתדרים מ"מ וייב (כ-52 GHz ומעבר) לייצר אותות אוסטרטור מקומיים עבור מערבלים בשרשרת transceive. High-יעילות גבוהה, מכפילים קומפקטיים הם חיוניים עבור רדיוים זולים, קטנים-מספקים.
  • (FLT:0)Test ו- Measurement Instrumentationalph:1) - גנרטורים אותות וניתוחי ספקטרום מסתמכים על מכפילים בתדרים כדי להרחיב את הכיסוי התדירות של מקורות יציבים.-of-the-art משתמשים במסננים מכוונים עם מכפילים קזידידים כדי לייצר אותות נקיים עד 110 GHz ומעבר.
  • (FLT:0) מחקר מדעי מדעי מדעי הרוח (D) 1 - ניסויים רדיו אסטרונומיה ופיסיקה דורשים התייחסות נמוכה מאוד ב-phase-noise באורך של מילימטר ואורך גל תת-מילימטר.

כיוונים עתידיים

מסלול של תדירות מגבר כוח מכפיל נקודות פיתוח לעבר תדרים גבוהים יותר, שילוב גדול יותר והסתגלות חכמה יותר.

(FLT:0) טרההרץ רב-שותפים (Terahertz MultipliersFLT:1) - הפעלת המעבר לתוך פער THz (0.1-3 THz) נותרה אתגר גדול.התקדמות ב GaN TeraFETs, גרפן דיודה, ו- Schotky diode membrane טכנולוגיות דוחפות תפוקה שימושית מעבר 1 TLT2: National Institute of Standards and Technology)

(FLT:0) אינטגרציה צ'יפורה 1 (FLT:1) - מודולים Multi-chip ו מעגלים משולבים מיקרוגל מונוליטי (MMICs) משלבים את שרשרת ההכפלה כולה, כולל הרש"פ, סינון ולשלוט לוגיקה, על שבב יחיד.זה מקטין את הגודל, משקל וצריכת חשמל - קריטי עבור אנטנה ומטענים של לוויינים.

(FLT:0)Machine Learning for OptimizationFLT:1 - כלים עיצוביים מונעים על ידי AI יכולים לייעל את ההתנצלות ואת ההטיה ליעילות מקסימלית וטוהר ספקטרלי על פני טווחי תדר רחב.מודלים למידה מכונה מאומן על נתונים גדולים של תגובות מכפימות ומדדיות יכול להאיץ מחזורי עיצוב וגילוי ארכיטקטורות.

(FLT:0) אחריות דיגיטלית (DPD) עבור MultipliersFLT:1 - בדיוק כמו DPD לינארי הרש"פ, עיצוב גלפור מתקדם יכול לפצות על הלא לינאריות בהכפלות תדירות. על ידי מניעת אות קלט, את הפלט ניתן לעשות נקי יותר, עם דחייה הרמונית גבוהה יותר ולהפחית מוצרים בין-modulation.

מחשבות אחרונות

מתקדם בחומרים מוליכים למחצה, מעגלים להתנצלות, ואוטומציה עיצובית ממשיכים להעלות את הביצועים של מכפיל תדרי כוח מגבר כוח.עם GaN ו-InP דוחף גבולות כוח ותדירות, ועיצובים מאוזנים ומופצות המאפשרים הפעלה פס רחב, מעגלים אלה חיוניים לתקשורת הדור הבא, מכ"ם ומערכות כלי שיט.