התקדמות במגבי רף מיניאטוריים לטכנולוגיה הנשובת

הביקוש הגדל לקטן יותר, חכם יותר

טכנולוגיה לבישת עברה מעבר לספירת צעד פשוטה כדי להפוך אבן הפינה של ניטור בריאות אישי, מעקב כושר ואפילו התערבות רפואית מוקדמת.כפי צרכנים מצפים ליותר תכונות של מכשירים כי חייב להישאר unconobive, הלחץ על מעצבי רכיב גדל. בין הרכיבים הקריטיים ביותר בכל התפתחות אלחוטית של טיפול אלחוטית הוא רק את התדר (RF) מגבר מעגל זה מגביר אותות חלשים שהתקבלו או מועברים אחרים, מבטיח קישוריות Bluetooth, יעיל יותר, ללא גירוי יעיל יותר, ציוד רדיו יעיל יותר, ללא גירוי יעיל יותר, ציוד רדיו יעיל יותר, ומכשירים, אשר מופעל.

המיניגלגל של מגברי RF אינו רק תרגיל בקנה מידה של עיצובים קיימים.זה דורש חשיבה מחדש של פעולות מסחר בסיסיות בין רווח, מספר רעש, לינאריות, וצריכת חשמל. מגבר קטן יותר חייב לנהל פירוק תרמי במסגרים ארוזים הדוקים, לשמור על ביצועים עקביים על טמפרטורה וריאציות תהליך, ולשלב עם רכיבים אחרים מיניים כגון, מסננים, ומיקרו-מיקרו-בקר בנוי עבור מגבלות ייחודיות של שיטות פעולה.

תפקידה של RF מגבר במכשירים לבישים

כדי להבין מדוע חומר מגבר RF מצמצם את ה- RF, הוא עוזר לבחון מה מגבר RF עושה בלבוש טיפוסי.כל קישור אלחוטי מורכב משדר ומקלט בצד המעביר, מגבר הכוח (PA) מגביר את האות המכוון לדרגה מספיק עבור שידור אמין בצד המקבל, את המגבר הנמוך (LNA) מעצימה את האותות הקטנים, אך לא ניתן להוסיף את האותות הרגישות, ללא יכולת תקשורת יעילה, כאשר הם אינם מסוגלים להוסיף את הנקה מספקת, אלא אם כן, אלא אם כן, אלא אם כן, אלא אם כן, אלא אם כן, אלא אם כן, אלא אם כן, אלא אם כן, אלא אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, או למולה, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, או למול, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, הם יכולים להיות מסוגלים להוסיף את האותות, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, הם יכולים להיות מסוגלים להוסיף את האותות, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן

בשעון חכם, למשל, הרש"פ חייבת לספק מספיק כוח פלט כדי לשמור על חיבור Bluetooth על פני חדר או דרך כיס, בעוד LNA חייב לזהות אותות מלווין GPS או נתב Wi-Fi שעשוי להיות במרחק של עשרות מטרים משם.כל זה חייב לקרות תוך כדי ציור רק כמה מילימטרים מסוללה קטנה, תוך התאמה לחבילה שעשויה להיות לא יותר מגרגר של אורז.

למה גודל משנה: הקונסטרינטים של עיצוב לביש

מכשירים לבישים שונים באופן יסודי מסמארטפונים או מהמחשבים הניידים.הם חייבים להיות נוחים, קלים, ו unobtrusive מספיק כדי להיות משוחק במשך שעות או ימים. זה מציב מגבלות חמורות על נפח הזמין עבור אלקטרוניקה. a הכושר יכול להיות נפח פנימי של רק כמה סנטימטרים מעוקבים, משותף בין חיישנים, סוללה, תצוגה, מיקרובקר, זיכרון, מערכת ההפעלה האלחוטית, כל רכיב חייב להיות קטן ככל האפשר, למעט RF, ולא מגבר.

מעבר לגודל הפיזי, תקציב החשמל הוא לעתים קרובות המשאב המגביל ביותר. A יכול לרוץ על סוללה קטנה כמו 100 mAh, ואת מגבר RF יכול להיות אחד הצרכנים הגדולים ביותר של הנוכחי. aimatively אופטימיזציה מגבר כי שואב 50 מ"א במהלך תיקון GPS או שידור Bluetooth יכול לרוקן את הסוללה בשעות, miniaturization הוא לא רק מכווץ על טביעת הרגל - הוא להשיג יעילות גבוהה יותר של 40% מ"מ עם להקות מ"מ.

ניהול תרמי הוא אתגר נוסף.מגברים בעלי כוח גבוה מייצרים חום, ובלבוש חתומה הדוק, כי חום יכול להעלות טמפרטורות פנימיות, להשפיל חיי סוללה ודיוק חיישן.מגברים מינירויים שעוצבו עם מסלולים תרמיים מתקדמים (כגון עמודי נחושת או באמצעות silicon באמצעות) מסייע לפיזור חום יעיל יותר, ומאפשרים ללבושים לרוץ במכסי חום גבוהים יותר ללא מחזורים גבוהים יותר.

פריצות דרך נהיגה Miniaturization

גאליום ניליד (GaN) ו- Silicon- Germanium (SiGe) Technologies

ההתקדמות החומרית המשמעותית ביותר הגיעה מגאליום ניליד (GaN) ו- Silicon- Germanium (SiGe) מציעה ניידות אלקטרונים גבוהה יותר ו-Sgap רחב יותר מסיליקון מסורתי, המאפשר transistors לפעול בתדרים גבוהים יותר ומתחים תוך כדי סובלנות לטמפרטורות גבוהות יותר. עבור עוויתנים, GaN מגבר יכול לספק רווח גבוה מאוד באזור קטן מאוד, צמצום הגודל הכולל של מ"מ"מ"מ עם הרבה יותר מ"מ"מ"מ"מ, אך לעתים קרובות יותר מ"מ עם מ"מ, 000 גרם חשמל ו-1.5 מילימטרים, אך מ"מ-1.5 מילימטרים ו-1.5n, אך לעתים קרובות יותר, אך מ"מ-1.5 מ"מ מ"מ-1.5 מ"מ-1.5 מ"מ-N, אך מ"מ-1.5 מ"מ- 000 מילימטרים, אך מ"מ-N, לעומת מזחלים, לעומת יותר, 000 מזחלות עם מזחלות חשמל, 000 מזחלות, 000 מילימטרים, לעומת יותר, 000, 000, 000, 000 מילימטרים, 000 מילימטרים, 000 מילימטרים, 000 מילימטרים, 000 מילימטרים

SiGe, לעומת זאת, מוטבע על פלטפורמה סטנדרטית סיליקון עם שינויים המציגים את גרמניהום לאזור הבסיס.זה נותן למגרש מבוסס SiGe ביצועים מצוינים גבוה - ערכי FT מעל 300 GHz - בעוד שמירה על היתרונות העלות ואת יכולות האינטגרציה של שבבים מתכתיים קונבנציונאליים-חמצני-מחזק (CMOS) תהליכים SiGe LNA הם אטרקטיביים במיוחד עבור מספר נמוך מאוד (בצורה של 5B) עם מספר נמוך מאוד, 000) ו-מתאים שונים של שבבים עם מספר 1 GHz (D.

מעבדי CMOS ו-BCMOS

CMOS סטנדרטי נאבק היסטורית עם ביצועי RF, אבל נודות מתקדמות (28 nm ולמטה) שינו כי.במדים אלה, תדרי המעבר יכולים לעלות על 200 GHz, וטכניקות פריסה זהירה יכול לייצר LNAs ו PAs המתחרים ייעודי III-V טכנולוגיות. היתרון של CMOS הוא היכולת לשלב RF, אנלוגיה ו בלוקים דיגיטליים על מת יחיד דרסטי, חיתוך הגודל הכולל של חברות כגון Texasb ופילטרים, במיוחד, ®, CMS, , , , , קומפקטית, CMS, , , קומפקטית, CMS, CMS, במיוחד , CMS, , , קומפקטית קומפקטית , , , קומפקטית קומפקטית , , קומפקטית קומפקטית קומפקטית CMS, קומפקטית קומפקטית , קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית CMS, קומפקטית קומפקטית CMS, קומפקטית, קומפקטית קומפקטית קומפקטית CMS, קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית קומפקטית

תהליכים BCMOS המשלבים טרנזירים דו קוטביים עם CMOS מוסיפים גמישות נוספת.המכשירים הדו קוטביים מספקים לינאריות גבוהה ורווח בתדרים גבוהים, בעוד CMOS מטפל בהגיון ועיבוד בסיס. גישה היברידית זו מאפשרת למעצבים לכווץ את סעיף RF ללא ביצוע מקרי הקרבה.

אינטגרציה של צ'יפ ו-In-Package

מגמה נוספת היא המעבר לעבר מודולי RF משולבים מאוד.במקום הצבת מגבר נפרד, מסנן, מתג צ'יפס לצד זה, יצרנים הם ערמות מת או להטביע אותם במצע של laminate. לדוגמה, Avago (כיום Broadcom) פיתחה מהפך סרטני של קידוד אקוסטי (FBAR) שניתן להציב ישירות על גבי מצע של הרש"פ מת באמצעות אינטגרציה ברמה גבוהה זה שלוש אינטגרציה משולשת אחרת.

כמו כן, טכניקות אריזה מתקדמות כמו אריזה ברמה של מאוורר (FOWLP) ומערכת-in-package (SiP) מאפשרות בלוקים פונקציונליים מרובים (PA, LNA, ממשק אנטנה, ניהול חשמל) להיות מלוטש בתוך מודול יחיד כי מודד רק כמה מ"מ על כל צד.מודולים משולבים אלה הם כעת סטנדרטיים ב-Premummine smartwatchs ו-כושר מעקב.

אתגרים עיצוב ופתרונות ב-Miniature RF Amplifiers

אפילו עם חומרים טובים יותר ואריזות, הקטנת מגבר RF מציגה מכשולים הנדסיים בסיסיים.אחד המתמשכים ביותר הוא שמירה על יעילות גבוהה ואת ליניאריות במתחים היצע נמוך. סוללות לביש בדרך כלל פלט 3.7 V או פחות, כמו פריקה, המתח יכול לרדת מתחת 3 V. מגבר מסורתי כדי לתנצל כי עובד גם 5 מאבק במתחים מופחתים אלה יש אימצו כמו טכניקות כגון מתח דינמית כדי לנטרולציה).

אתגר נוסף הוא ניהול אלמנטים טפילים. as ממדים מתכווץ, את הציפוי הטפיל ואת אינדוקציות של קישורים, חוטי אג"ח, וליטות מכר הופכים לחלק גדול יותר של האימפולס הכולל של המעגל. parasitics אלה יכולים לשנות תדרי resonant, להפחית את הרווח, ולגרום בעיות סימולציה מודרנית (כגון פותרי שדה אלקטרומגנטיים) משמשים למודל מוקדם אלה טכניקות הסתגלות, כגון מחזוריות לא רצויות).

פעולה רחבה היא גם קשה יותר בחבילות מיניאטורות.לבושים לעתים קרובות צריך לתמוך להקות מרובות - Bluetooth ב-2.4 GHz ISM הלהקה, GPS סביב 1.5 GHz, Wi-Fi ב-2.4 ו-5 GHz, ולעתים LTE סלולרית או 5G להקות. a one amplifier שיכול לכסות את כל הלהקות האלה ללא רשתות התאמה מרובות הוא מאוד רצוי.

יישומים ברחביספקטרום המצופה

בריאות ובדיקות רפואיות

ניטור בריאות מתמשך הוא אחד היישומים המבטיחים ביותר עבור טכנולוגיה לביש.מכשירים כי לעקוב אחר קצב הלב, ריצוף חמצן דם, רמות גלוקוז בדם, או אפילו אלקטרוקרדיגרם (ECGs) להסתמך על שידור אלחוטי כדי לשלוח נתונים לסמארטפון או שרת ענן.המגבר RF במכשיר כזה חייב להיות אמין מאוד, כמו חיבור אבוד יכול להיות חסר נתונים קריטיים עם רגישות גבוהה (למשל, גם אותות קלים) ללא מגע עם לחץ דם נמוך, או אפילו על ידי מגע נמוך יותר, אפילו על ידי מגע עם סימנים קלים, אפילו על ידי מגע עם לחץ דם נמוך יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר, או יותר של אלכוהוליים עם תכונות מגע נמוך יותר של אלכוהול, או יותר, אם זה יכול להיות אמין מאוד, אם זה יכול להיות יעיל יותר מאשר מגע שלילי, או יותר, או ירידה של אלכוהול, או ירידה של אלכוהול, או ירידה של מגע עם רגישות עור כהה, אם זה יכול להיות יעיל של מגע שלילי, או אפילו על ידי מגע יכול להיות אמין מאוד, או ירידה של מגע יכול להיות יעיל יותר מדי, אם זה יכול להיות יעיל יותר של חום, כמו גם אם זה יכול להיות יעיל יותר של אלכוהול, כמו קשר שלילי יכול להיות יעיל יותר של גלוקוז, כמו גם אם זה יכול להיות יעיל יותר מדי זמן קצר יותר של

בהגדרות בית החולים, סימנים חיוניים לבישים המזרים נתונים לתחנת הסיעוד המרכזית זקוקים לקישוריות חזקה.מגברי RF אחרונים שעוצבו לטלמטרי פס רפואי (למשל, שירות התקשורת של GHz, MICS, להקה) להשיג דמות רעש מתחת 0.8 dB תוך פחות מ 2A מ-1.8 אספקת V - שילוב מרשים שלא היה אפשרי לפני עשור.

התאמת כושר ואורחי פעילות

מעקבי כושר וספורט דורשים חיבור GPS מדויק ואמין Bluetooth לסמארטפון עבור הודעות וסנכרון נתונים. המקלט GPS דורש במיוחד: האותות מלוויינים הם חלשים מאוד (כ- -130 dBm) ויש להיות מוגבר על ידי LNA עם רעש מינימלי נוסף. Miniaturized LNAs מבוסס על SiGe או GaAsEMT תהליכים עכשיו להשיג נתונים רעש נמוך כמו 0.5B חבילות במהירות גבוהה יותר מ , אפילו מתחת ל- GPS אחד.

מגברי כוח Bluetooth בלבוש כושר נהנות גם הם.עיצובים מודרניים של הרש"פ לספק עד +8 dBm פלט כוח עם 40% יעילות, המאפשר חיבורים חזקים תוך שימוש בשבריר של יכולת הסוללה המשמשת הדורות הקודמים. יצרני התקנים יכולים לכלול תצוגות גדולות יותר או חיישנים נוספים ללא חיי סוללה.

שעונים חכמים ו- General-Purpose Wearables

שעונים חכמים כמו Apple Watch ו- Samsung Galaxy Watch עומדים בפני המגבלות הגודל המחמירות ביותר, שכן הם חייבים לארוז ערימה אלחוטית מלאה פונקציונליות מלאה (Wi-Fi, Bluetooth, GPS, סלולרי) במקרה רזה.הקצה הקדמי של RF במצפה חכם סלולרי כגון תריסר להקות בודדות (למשל LTE, 2, 3, 4, 7 וכו '), כל אחד מהם דורש אינטגרציה של תריסר מילימטרים עד 4 âb אחד; עם ân טווח קריטי (n) עם â â â â â â â â â â â â ¢ ¢ â ¢ ¢ ¢ â â â â ¢ ¢ â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ â ¢ ¢ â â ¢ ¢ â â â â ¢ â â â â â â ¢ â â ¢ ¢ â ¢ ¢ â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢

מעבר לקישוריות, כמה שעונים חכמים כוללים כעת מכ"ם קצר טווח (למשל, לזיהוי מחווה או גילוי בסתיו) באמצעות הלהקה 60 GHz. Amplifiers עבור תדרי מילימטר מציג אתגרים נוספים בשל אורכי הגל הקטנים מאוד והפסדים גבוהים. אבל קבוצות המחקר הראו מגטנים כוח ב 60 GHz עם חשמל מעל 20 dBm באזור של רק מ"מ,2 פתחה דלת חדשה.

מציאות מוגברת (AR) ומציאות וירטואלית (VR) Headsets

בעוד לא תמיד מסווג כמו עונדים במובן המסורתי, ראשי AR / VR הם יותר ויותר ללבוש לתקופות מורחבות ודורשים אלקטרוניקה מעודנת מאוד.ראשים אלה צריכים לייעל וידאו גבוה פסד ונתוני חיישן (למשל, בתוך מעקב פנימי) לסגל מחשב או שרת ענן, לעתים קרובות באמצעות Wi-Fi 6E או 60 GHz קישורים קנייניים.

כיוונים עתידיים ומחקר מתמשך

אינטליגנציה מלאכותית ומגבר הסתגלות

גבול מרגש אחד הוא השימוש של למידת מכונה כדי להתאים באופן דינמי פרמטרים מגבר בזמן אמת.על ידי ניטור תנאי אותות, מתח סוללה וטמפרטורה, בקר מונע AI יכול להתאים נקודות הטיה, התאמת רשתות, או אפילו מתחי אספקה כדי לשמור על ביצועים אופטימליים כמו תנאים משתנים. חוקרים באוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו, הוכיחו את LNA מותאם אישית המפחיתה את הביצועים הנוכחיים שלה על ידי 40% כאשר האות הוא מקבל חזק, ללא אפקט מודיעיני מתקדם, כמו טיפול ישיר, כמו גם בעיות אבטחה סטנדרטיות.

אנרגיה קצירת אנרגיה ו- Ultra-Low-Power Operation

חלולים שלעולם לא צריכים שינויים בסוללה הם חלום ארוך טווח.אנרגיה קצירת מ RF, תנועה, חום גוף יכול כוח חיישנים קטנים, אבל מגברי RF במכשירים כאלה חייבים לפעול על תקציבים מיקרו-וואט.עבודה עדכנית על גבי CMOS LNAs הראה כי מספרי רעש סביב 3D עם צריכת חשמל מתחת 10 מיקרו-W, אם כי ברווח מתון, עבור טכניקות אלה עדיין יכול להזיזוכות באמת.

שילוב עם 5G ו-6G Networks

בעוד 5G מתרחב ללהקות תדר גבוהות יותר (mmWave, מעל 24 GHz), וכ-6G מחקר מטרות תקשורת תת-טרחרץ (100 GHz ומעלה), לבישים יצטרכו מגברי RF המסוגלים לפעול בתדרים אלה.Miniaturization בלהקות אלה מספק אפילו יותר מאתגר כי הממדים הפיזיים של קווי שידור והתאמה רשתות הופכים לחלק משמעותי של גל, מה שהופך את הקונבנציונאלד ב- 0.22 מ"מ"מ"מ"מ"ל, אך הוא בעל מבנה יעיל של 15B.

מעגלי RF גמישים ומתחים

גבול נוסף הוא פיתוח של מגברי RF על תת-שכבות גמישות באמצעות transistors הסרט דק או אלקטרוניקה מודפסת.אלה יכולים להיות מוטבעים ישירות לתוך בגדים או להקות, המציעים חופש צורה האולטימטיבית. בעוד המגברים הגמונים הנוכחיים יש תדר מוגבל ולהשיג ביצועים (בדרך כלל מתחת 2 GHz ופחות מ 10B רווח), החוקרים משפרים אותם בהתמדה.

מסקנה

ההתקדמות במגברי RF מיני-אורידיים בעשור האחרון לא הייתה קצרה משינוי לטכנולוגיה לבישה. על ידי מינוף חומרים חדשים כמו GaN ו SiGe, CMOS מתקדם נודות, ואריזות משולבות מאוד, מעצבים יכולים כעת לארוז קישוריות אלחוטית למכשירים שהם גם דלים, קלים ונוחים יותר מאי פעם.

(ב) לאלו המעוניינים בפרטים טכניים עמוקים יותר, ה-FLT:0.10.1 מפרסם מספר מאמרים על גבי מילימטר ועיצוב RF זעיר, בעוד חברות כמו FLT:2Analog DevicesFLT 3 מציעות הערות יישום ספציפיות למבחר מגבר, 7 משאבים נוספים זמינים מ-FLT:4QorvoFLT5 ו-Falph.