הביקושים הגדלים על Power Amplifiers in Software-Defined Radio

רדיו מוגדר תוכנה (SDR) הפך תקשורת אלחוטית מודרנית על ידי העברת עיבוד אותות מחומרה קבועה כדי לתקן תוכנה.גמישות זו מאפשרת פלטפורמה רדיו יחיד כדי לתמוך במספר רב של גלפורים, להקות תדר וסטנדרטים - החל מ HF קישורים טקטיים ל- מילימטר- גלי 5G, עם זאת, תדירות הרדיו (RF) מאפשר קצה הקדמי, במיוחד את מגבר הכוח (PA), בקבוק המיועד ל-ADR פעיל יותר רחב יותר, תוך כדי הפעלת מגבלות עיצוב מיידיות ורחבות באמצעות רוחביות (S) באמצעות רוחביות) רחבות יותר, או רוחביות (S.

החשיבות של הרש"פ ב- SDR אינה ניתנת להגדרה יתר על המידה.הוא צור את רוב הכוח של המערכת DC, יוצר את החום ביותר, ובעיקר קובע את נאמנות האות הכוללת.כפי ש-SDRs דוחף לקראת הדבקה של נושא, רדיו קוגניטיבי וגישה ספקטרום דינמי, הרשות חייבת לשמור על ביצועים על טווחי תדרים מובילים ללא יעילות הקרבה או בדיקת לינאריות לאחר פרקי הליבה, אתגרים אחרונים של הטכנולוגיה הפלסטינית, וחדשנות, וחדשנות רחבה יותר, וחדשנות של הרש"פ"פ.

אתגרים מרכזיים ב- Wideband Power Amplifier

תכנון הרש"פ המבצעת היטב על רוחב פס רחב כרוך בממשק מורכב של מגבלות חשמליות, תרמיות וגופניות.המכשולים הטכניים העיקריים הם:

המונחים: Signal

מערכות SDR לעתים קרובות להעסיק תוכניות מודולציה מורכבות כגון 64-QAM או שלDM, שיש להם גבוה שיא עד ממוצע יחס כוח (PAPR) כדי למנוע regrowth ו- in-band עיוות, הרשות חייבת לפעול באזור כמעט ליניארי. Achieving amplification על פני טווח תדר רחב הוא קשה כי שלב ה-transistor של חומרים ומאפיינים שונים עם תדירות ליניארית (אפקטריבית) הוא לעתים קרובות מפרה ליניארית (ריבית).

חוסר יציבות לאורך הבנדנדות

יעילות גבוהה היא חיונית להפחתת פערי חום ולהרחיב את חיי הסוללה ב- SDRs ניידים.יעילות של פסגות הרש"פ קונבנציונלית ליד כוח הפלט רווי שלה, אבל יעילות נופלת בחדות ברמות האחוריות האופייניות לסימנים עתירי גבוה.הפעולה רחבה מתרכובת זאת: התאמות התאמה לרשתות אופטימליות בתדר אחד עלולות לגרום להפחתה של אחרים.

המונחים:

הרשות מספקת כוח מקסימלי כאשר הפלט של הטרנזיטור הוא מתאים לטעון (בדרך כלל 50 ⁇ ) עם זאת, אימפולס העומס האופטימלי של transistor משתנה עם תדירות בשל הטפילטיקה הפנימית שלה.עיצוב רשת התאמה המציגה את הניתוק הנכון בטווח תדר רחב ללא אובדן מופרז הוא לא טיפוסי.

ניהול עשיר ב- Dense Wideband PAs

הרש"פ רחבות דורשות לעתים קרובות שלבים מרובים של רווח או שילוב של מכשירים כדי לכסות את רוחב הפס הרצוי, הגדלת צפיפות החום. ניהול תרמי מסכן מוביל לטמפרטורות צומת גבוהות, אשר להפחית את האמינות, יעילות הניתוק, ולשנות את המאפיינים של הביצועים של transistor. מודולים מודרניים SDR הם קומפקטיים יותר ויותר, משאיר מקום קטן עבור כיור חום מסיבי.

גישה חדשנית לעיצוב עבור רחב פס SDR Power Amplifiers

חוקרים ומהנדסים פיתחו מספר טכניקות חזקות כדי להתמודד עם האתגרים לעיל.החידושים האלה אינם בלעדיים הדדית; לעתים קרובות, הרש"פ של פס רחב הטובה ביותר משלבת גישות מרובות.

1. Broadband Match Networks and Distributed topologies

התאמת פסים מודרניים משתמשת רשת LC פשוטה או מהפך חד-ממדי.עבור פעולה פס רחב, מעצבים משתמשים בהתראות רב-סעיף (כגון צ'בישייב או בינארי) המספקים טרנספורמציה מאולתלתלתלתלתת הדרגתית על פני תדירות. Lumped-element רשתות עם שלבים מרובים ניתן להשתמש גם בתדרים מרובים של מיקרוגל.

מחקרים אחרונים חקרו גם רשתות לא-Foster תואם, אשר משתמשים מעגלים פעילים כדי לבטל תגובה פרסיטית, המאפשרת באופן תיאורטי לא-definite רוחב פס.עם זאת, יציבות ובעיות רעש יש כל כך מוגבל אימוץ מעשי.עבור רוב יישומי SDR, ניתוח רב-תכליתי או מבוזר נשאר סוס העבודה.

גליום ניליריד (GaN) Transistor Technology

אין חידושים בעלי השפעה גדולה יותר על ביצועי פס רחב יותר מאשר GaN-on-SiC Transistors. GaN גל ניידות גבוהה של זרם אלקטרוני ומתח התמוטטות גבוהה יותר מאפשר הפעלה במתחים גבוהים יותר (28V עד 50 V או יותר) מאשר ג'אס מסורתי או סיליקון LDMOS התקנים.התוצאות אלה בתפוקה גבוהה יותר של הסימולציות רחבות יותר של GN.N) במיוחד יכולות לספק רוחב פס גבוה יותר של כוח חיצוני של GN2 CV (במיוחד גבוה יותר של כוח חיצוני של GRM) גבוה יותר מאשר GN).

3.הקדמה הדיגיטלית (DPD) for Wideband Linearization

DPD היא טכניקת לינאריזציה שמקדמת את אות הקלט לפצות על אי-לינימיות של הרש"פ ומערכת DPD הרץ, מעבד הבסיס מודל התנהגותה של הרש"פ (בדרך כלל באמצעות פולינומיס זיכרון או רשתות עצביות), ולאחר מכן מונע מראש את האות כך ש-DPD-DF של מערכת הפעלה מקדימה של טרום-טר ו-PA מייצרת פלטהיראנית רחב יותר.

4. Envelope Tracking (ET) for Efficiency Enhancement

Envelope מעקב משנה את מתח האספקה של הרש"פ בזמן אמת לעקוב אחר המעטפה של אות RF.זה שומר על הטרנזיסטור לפעול ליד אזור יעילות שיא שלה אפילו ברמות כוח אחורית. בעוד ET כבר הוצב בהצלחה ב 4G/5G, יישום שלה לרחב SDRs הוא יותר מאתגר כי רוחב הפס חייב להיות רחב יותר מאשר אות RF כדי לשמור על דיוק, למרות אספקת סוללות מהירה (N) עם יעילות משולבת במיוחד על פני קיבולת גבוהה יותר.

אדריכלות דוהרטית עם תמיכה רחבה

הדורטי הקלאסי משתמש במגבר הראשי ומגבר שיא כדי לשפר את היעילות בהפיכת לאחור.המגבר הראשי פועל בכיתה AB, בעוד המגבר העליון פונה ברמות כוח גבוהות יותר.באופן כללי, דורטי מגבר האחורי יש מגב רוחב פס צר יחסית (10-15%) בשל ההפחתה של רשת המופת הנדרשת, לאחרונה, כגון כיסויי של דחיסות גבוהה של 24%, 000 נקודות רוחב פס רחב יותר של כוח, 0002, 0002, 000) בשל חוסר יכולת, 000 של סימטרית לחץ גבוה יותר, 000 של סימטרית, 000 של סימטרית, 000 סימטרית, 000 - 2.

מחקר מקרה: A Practical 2-6 GHz Wideband GaN PA SDR

כדי לקרקע את המושגים האלה במציאות, שקול דוגמא עיצובית לאחרונה של קבלן הגנה: מודול 2-6 GHz רחב GaN PA המיועד מודול רב הרץ SDR. המודול משתמש בטופולוגיה של שני שלבים: שלב הנהג המעסיק 0-5 GHz GaN Transistor באופן קבוע על גבי רוחב פס של 0.25 מיקרומטר GN HEMT.

חומרים וטכנולוגיות חדשים ל-Generation Wideband PAs

דחיפה חסרת פשרה כלפי תדרים גבוהים יותר ופסיבי רוחב פס רחבים יותר ממשיכה להניע מחקר חומרים.כמה טכנולוגיות מתפתחות מבטיחות לשפר עוד יותר את ביצועי הרש"פ:

GaN-on-Diamond Substrates

על ידי החלפת סי קייסי עם יהלום סינתטי, מוליכות תרמית כמעט כפול (2000 W/mK לעומת -400 W/mK עבור SiC) זה מאפשר לג'N טרנזיסטורים לפעול בתדירות גבוהה בהרבה של נחיתות כוח ללא ריצות תרמיות. Prototypes הראו נחיתות כוח מעל 40 W/mm ב X-band, אשר יכול לתרגם לפס רחב יותר עבור SDRs שימושיים על ידי ADR.

AlGaN/GaN HEMTs עם הטמעת Buffer Layers

ההתקדמות בצמיחה אפיטקסית שיפרה את הניידות האלקטרונית והפחתת נחיתות המלכודות, מה שמוביל לאפקטים בזיכרון נמוך יותר ולינאריות טובה יותר בקו רוחב פס רחב.מכשירים עם מציצים למחצה מפוצצים פחמן ו- Fe-doped למחצה substrates עכשיו זמין מסחרית.

Ferroelectric ו- Acous Wave Technologies

חומרים ferroelectricיים של הסרט (למשל, BaSrTiO3) מציעים מעכבי מתח בלתי ניתנים לעצירה, המאפשרים אימפולסים הסתגלות בזמן אמת התאמה. רשת דיגיטלית מבוקרת טונה יכול להתאים את העומס הרש"פ לשינויים בתדירות, למקסם את היעילות בכל רחבי הלהקה.

חידושים לניהול קומפקטיות רחבות הרש"פ

ככל שערכי הכוח עולים, ניהול תרמי הופך לגורם מגביל.שלוש טכניקות צוברות מצעים במודולים רחבים של הרש"פ:

  • (FLT:0) Embedd Microfluidic Cooling:BuildFLT) 1 ערוצים נצמדים ישירות לתוך תת-התחרר ליד הטרנזיסטור מאפשרים קירור נוזלי לחלץ חום.זה יכול להפחית את הטמפרטורות הצומת ב -30-50 מעלות צלזיוס בהשוואה לשקועים חום קונבנציונליים.
  • (FLT:0) Heat Spreading with CVD Diamond:BuildFLT:1 , Chemical vapor deposition (CVD) ניתן לגדל או להתחבר לקדמת גבו של GaN wfers.
  • (FLT:0) Thermoelectric Coolers (TECsssteauFLT) 1 Integrated Peltier קרירים יכולים לעצב באופן פעיל את המכשיר הרש"פ מתחת למעום, שיפור היעילות וההלינאריות.עם זאת, TECs צורכים כוח נוסף ולהוסיף מורכבות; הם מתאימים ביותר עבור מתקנים קבועים.

מגמות אינטגרציה: לעבר מערכת-in-Package Wideband PAs

יצרני SDR נעים יותר ויותר ממודולים של הרש"פ כדי לשלב באופן מלא פתרונות מערכתיים משולבים (SiP) המשלבים את הרש"פ, להתאים רשתות, צינורות הטיה ואפילו מנוע DPD על תת-קבוצה אחת.עבור פעולה רחבה, זה דורש בידוד אלקטרומגנטי זהיר בין החלקים הדיגיטליים האנלוגיים, כמו גם חיבורים בתדר נמוך.

הנחיות עתידיות: AI-Optimized PA Design and Cognitive Control

במבט קדימה, למידת מכונה מופעלת להשפיע על עיצוב רחב של הרש"פ. אלגוריתמים AI יכולים להתאים את הרשת להתנצלות, לחזות ביצועים על פני שינויים בתהליך, ואפילו להתאים את ההטיה של הרש"פ בזמן אמת בהתבסס על נתונים סטטיסטיים אותות.עבור SDRs, הרשות הקוגניטיבית החושת את תדירות התפעולית שלה, הטמפרטורה ורמת הכוח, ואז באופן אוטומטי להתאים את המעגל ההטיה שלה, יכול להשיג יעילות כמעט רכה ליניארית בכל נקודה שהיא מנטראקטיבית מתקדמת.

אזור מבטיח נוסף הוא השימוש ברשתות מחשוב כוח ניתנות להגדרה מחדש.על ידי כך שניתן באופן דינמי או מסלק תאים מרובים של יחידת הרש"פ, את כוח התפוקה הכולל ויעילות ניתן לייעל עבור צורות גל שונות.זה אנלוגי לניהול הכוח במעבדים דיגיטליים. a רחב SDR יכול, למשל, להשתמש 4 תאים 1 W עבור תפוקה 4 W, או לשלב אותם עבור 10 W.

מסקנה

האבולוציה הבלתי פוסקת של רדיו מוגדר תוכנה דורש מגברי חשמל גמישים כמו ה backend הדיגיטלי. במהלך העשור האחרון, חידושים בפס רחב, טכנולוגיית GaN transistor, נטייה דיגיטלית, מעקב אחר המעטפה, ואריזות תרמי מתקדמות שיפרו באופן דרמטי את הביצועים של רחבות רחבות של מערכות אשר פעם מכסה רק octave אחד עכשיו משתרע על פני מספר רב של יעילות ובטיחות ליניארית כי זה באמת הופך להיות יעיל יותר חומרים אלה של אנרגיה יעילה יותר, כמו אלה.