מבוא ל-RF Amplifiers in אוטונומית

כלי רכב אוטונומיים (AV) תלויים בזרם קבוע, אמין של נתונים מחיישנים, תשתיות וכלי רכב אחרים.הנתונים מועברים על תדר רדיו (RF) קישורים אשר חייבים לפעול עם נאמנות גבוהה אפילו בספקטרום מואץ ותנאים סביבתיים קשים. בלב כל מערכת תקשורת כזאת הוא מגבר כוח RF (PA) - המרכיב האחראי להגביר את אותות מודולים חלשים לרמה מספקת עבור שידור מהיר, לאזן את יעילות האלקטרוניקה, אלא לא רק מגברת כוח הפעלה מהירה.

הנתחים גבוהים.הפסד רגעי של אות או שחיתות של חבילה אחת יכול להוביל להגדרה לא נכונה, פספס גילויי מכשולים, או כישלונות בתמרון שיתופי. בעוד תעשיית הרכב נעה לכיוון רמה 4 ורמה 5 אוטונומיה, הקצה הקדמי של RF חייב לספק ליד זמינות 100% - מפרט הדוחק עיצוב מגבר מעבר לסטנדרטים אלחוטיים.

מימון של RF Amplifier Design for Vehicular Networks

מגבר RF לשימוש ב- Vehicular חייב לעבד אותות החל מתקשורת לטווח קצר ייעודי (DSRC) ב 5.9 GHz ללהקות V2X סלולריות (למשל, 3.5 GHz, 5G NR1) ואפילו להקות גלי מילימטרים מתעוררים עבור חישה גבוהה.הבנת הפרמטרים הבסיסיים הוא חיוני כדי לבצע תיקון של עסקאות.

קבל ו- Dynamic Range

הרווח הקטן של מגבר קובע כיצד האות המתקבל חלש מתחזק לפני העיבוד, בעוד הרווח הגדול (רווחה מדוכאת) מגדיר את הכוח המרבי של שידור מערכות AV, הדרישה הדינמית היא קיצונית: המגבר חייב להתמודד עם אותות חזקים מ משדרים סמוכים ללא היחלשות, אך עדיין מגביר אותות קלים ממכוניות מרוחקות או יחידות בצד זה דורש הטיה זה דורש שימוש קבוע של 60AG (בטווח קבוע) באופן קבוע של פחות מתאים לכדי התאמה אישית של רשתות עיצוב).

קוהרנטיות וטעמה Vector Magnitude (EVM)

תוכניות מודרניות של V2X מודולציה, כגון 64-QAM ו-DM, רגישים מאוד לעיוות לא לינארי.כל עיוות שלב ברש"פ מציג מוצרים בין-מודולציה להתפשט לתוך ערוצים סמוכים ושחית את גודל השגיאה (EVM) עבור קישורים קריטיים של AV, נקודת הירוט השלישית (IP3) חייב להיות לפחות 10B מעל פני הפסגות כדי לשמור על יעילות דיגיטלית, בעוד שצריכה כעת לחץ דם גבוה של 3% (I) ו-Divs) תוך שמירה על יעילות דיגיטלית כגון .

Bandwidth ו-הפעלה Frequency Range

כלי רכב אוטונומיים צפויים לתמוך בפרוטוקולים תקשורתיים מרובים בו זמנית: 5G NR V2X, IEEE 802.11p (DSRC), תאי C-V2X (LTE-V), וקישורים לווייניים פוטנציאליים לחילופי תקשורת מרחוק. דרישה רב-band זו מאלצת את הרשות לכסות טווח תדר מ-1 GHz עד 6GHz - ואולי לתוך 28GHz ו-39 מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ עבור רשתות מורכבות כגון שיפור, כמו שיפור משמעותי.

כוח יעילות ותקציב התרמו

ברכב, כל וואט של כוח DC הנצרכים על ידי מגבר RF הוא וואט כי יש להתפזר כמו חום או נמשך מסוללה.עם כוחות שידור החל מ 23 dBm (200 mW) עבור DSRC לטווח קצר ל -30 סיליקון (1 W) עבור מחסנית תאיים, אפילו כמה נקודות של יעילות מתורגם לחיסכון משמעותי באנרגיה על פני צי יותר ביקורתי, השפעה תרמית של 40% על צריכת החשמל של כוח).

אתגרים עיצוביים ספציפיים לסביבת רכב אוטונומית

סביבות הרכב כוויות מכניות, תרמיות ואלקטרומגנטיות כי כמה יישומים אחרים יכולים להתאים.מגבר RF המיועד ל AV חייב לשרוד עשרות אלפי שעות של פעילות תחת רטט, טיולי טמפרטורה מ -40 מעלות צלזיוס ל +125 מעלות צלזיוס, לחות ורסס מלח - כל זאת תוך שמירה על ביצועי ה-מפעל.

טמפרטורה ו-Bas Stability

הכוח של רווח ופלט של טרנזיסטור הם מאוד תלוי טמפרטורה.כפי שרש"פ מתחמם, המובילה במכשירים מבוססי סיליקון יורדת, צמצום המוליכים ובכך להשיג.הפך, GaN HEMTs להציג טמפרטורות שליליות coefficient של ניקוז הנוכחי, אשר יכול להוביל לצומת תרמי אם לא מנוהל בקפידה. מעצבים חייב לשלב רשתות הטיה מתואמים טמפרטורה - לעתים קרובות באמצעות פתודות ממוקם על ידי דלקת מפרקים או מנקה זרם זרם של זרם חשמלי הנוכחי.

השפעות ומיקרופוניות

רטט Vehicular יכול באופן מכני לפענח מעגלים מודפסים לוח (PCB) עקבות ורכיבים, שינוי הדחף של רשתות התאמה ולגרום לתנודות רווח. בתדרי RF, אפילו כמה מיקרומטרים של עקירה יכול לקלקל מעגל resonant.השימוש ברכיבים מעוקלים עם חבילות פרופיל נמוך, יחד עם מחסניות (conformal) או ציפוי תחת קיבולת מיקרומטר, מסייע להפחתה של תופעות מיקרו-מפלקסיביות קשיחות של המודוליביות.

אלקטרומגנטי הבין-תחומי (EMI) ו-Co דו-קיום

יחידות הבקרה האלקטרוניות של AV (ECUs), כונן חשמלי, ומגירים DC-DC קורנים רעש רחב פס.הרש"פ חייבת להיות מעוצבת עם דחייה גבוהה של פס כדי להימנע מניכוי מקלטים אחרים ברכב - לדוגמה, GPS L1 (1.5PR GHz) כי AVs רבים להשתמש עבור מקומי מדויק.זה דורש שימוש של מסננית ב- 25Fics על מנת להבטיח את ה-Fireativestostotic Powers שלה חסומים לבודדים (75) אפילו מ-Fireatives) כדי ל-Fireatives) כדי לבודדים חשמליים.

אות פס רחב CW ו- Pulse Operation

בניגוד לטלפונים ניידים המשתמשים ב-Time-division duplexing (TDD) עם מחזורי חובה רגועים, פרוטוקולים V2X רבים דורשים כמעט שידור רציף או קבלה - במיוחד במיזוג חיישן ותפיסת שיתופית. תרחיש טיפוסי הוא יחידת כלי רכב לכל דבר (V2X) אשר מעבירה הודעת בטיחות בסיסית (BSM) כל 100 מ"מ תוך הקשבה במקביל להודעות הבאות.

בחירת מפתח ובחירת טכנולוגיה

בחירת טכנולוגיית המכשיר הפעיל היא ההחלטה החשובה ביותר בעיצוב הרש"פ עבור מערכות AV.ההמתמודדים המובילים הם GaAs (gallium arsenide), GaN ו SiGe (גרמניה הגרמנית) כל אחד עם עצירות מסחר מובהק.

גליום ניליד (GaN) - The Emerging Standard

(ג'ון-סי-ההה-ההה-ההה-ה-ה-ה-ה-Si HEMTs) צברו במהירות את המיזוג ברכב מכיוון שהם מציעים מתח התמוטטות גבוה, צפיפות כוח גבוהה, ויעילות מעולה לאורך רוחב פס רחב של הרץ, עם שדה התמוטטות של כ- 3 MV/CM (לעומת 0.3 MV/CM לסיליקון), מכשירי GaN יכולים לפעול באופן ספציפי למהירויות ניקוז'F2 של צמיגים של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של VLT2, כדי למנוע את ה-GFDVDVSET, באופן ספציפי יותר מ-GF.

סיליקון גרמניום (SiGe) BCMOS עבור פתרונות משולבים

עבור משדרי כוח נמוכים (למשל, DSRC ב 10 dBm פלט), SiGe מציעה נתיב אינטגרציה אטרקטיבית. על ידי שיתוף פעולה של הרש"פ, LNA, Mixers, ולשלוט לוגיקה על מוות יחיד, SiGe BiCMOS להפחית את שטח התפוקה ואת ספירת הרכיבים.

חומרים ניהוליים

מעבר ל-Aluminium nitride (AlN) מספק מוליכות תרמית מעולה (170 W/mK) ומקדם של התרחבות תרמית (CTE) תואם קרוב לזה של GaN, צמצום מתח מוות (pB) בעיצובים המבוססים על PCB, לוחות מרובים עם תרמיים באמצעות צינורות נחושת משמשים למיצוי חום מ- PAFIF (R) כדי להבטיח להקות מתכתיות (R) על בסיס IFD.

שיטות עיצוב וסימציה Flow

סימולציה קפדנית וזרימת אפיון חיונית כדי להפחית את זמן לשוק ולהימנע מערכים יקרים.תהליך העיצוב הטיפוסי של AV RF PA עוקב אחר השלבים הבאים:

  1. (FLT:0System Budget Analysis: FLT:1) Define דרש כוח תפוקה, רווח, EVM ו- ACPR בהתבסס על תקן V2X ותקציב הקישור. השתמש בכלים כמו MATLAB או Keysight System, כדי מודל של שרשרת ה-Cscaded.
  2. (FLT:0 Transistor Selection and Load-Pull Simulation:FLT) 1 השתמש במודל לא ליניארי של המכשיר הנבחר (למשל, GaN HEMT מספרייה המצויה) לביצוע סימולציות עומס-סגולות. Optimise the Source and העומסs for Peak יעילות בזמן עמידה במטרות.
  3. (הופנה מהדף עיצוב רשת:0) הטמעת רשתות:0 (Matching Network Design:FLT:1hil Design קלט andפלט תואם רשתות באמצעות אלמנטים מגושים (עבור תת- 6 GHz) או אלמנטים מבוזרים (עבור mmWave) השתמש בסימולטורים EM כגון FLT:2Keysight ADSFLT 3 או Ansys HFSS כדי להסביר השפעות טפילטיות מעמודים, באמצעות, באמצעות, וקישורים.
  4. (FLT:0) ניתוח יכולת: FLT:1 לבצע בדיקות ליציבות רולט בכל התדרים (כולל מתחת להלהקה התפעולית) הוסף התנגדות או רשתות משוב אם יש צורך למנוע תנודות נמוכות - סיבה נפוצה לכישלון הרש"פ.
  5. (FLT:0)Layout ו- EM Co-Simulation:BuildFLT) 1 צור פריסה מלאה 3D של הרש"פ, כולל קווי הטיה ו-F-Simulations. Run סימולציה EM כדי לחלץ S-parameters, ולאחר מכן לבודד עם מודלים לא ליניאריים כדי לאמת ביצועים הרמוניים ורגישות לטעון.
  6. (FLT:0) סימולציה תרמית: FLT:1hil השתמש ניתוח אלמנטים סופי (FEA) כדי מודל טמפרטורה צומת בתנאים הגרועים ביותר שידור.כוונו גאומטריה חום או נתיבי זרימת אוויר כדי לשמור על טמפרטורת צומת מתחת 150 מעלות צלזיוס (עבור GaN).
  7. (FLT:0)Prototype and Measurement:FLT:1) בנו אבטיפוס על תיקון מבחן זהה ל- PCB הסופי. Measure Small-signal S-paras, Power טאטא, EVM /ACPR, ודמיית תרמית. Correlate תוצאות עם סימולציות כדי לשפר את העיצובים העתידיים.

דוגמה להגדרה מעשית: 5.9 GHz DSRC / C-V2X PA

כדי להמחיש את עקרונות העיצוב, שקול A-שלב יחיד של GaN PA פועל ב 5.9 GHz עבור שני DSRC ו- C-V2X (LTE-V) מודים של המטרה הם: כוח פלט PIRFLT:0outcioFLT:1=27 dBm (500 mW), PAE > 50%, EVMFLT2: 15B מעל רוחב פס MPD מתאים 10.

(ב) תוצאות של [[המאה ה-1]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[[[[[1924]]]]

(FLT:0)Stability:IRFLT:1 RC רשת (10 ⁇ + 22 pF) ממוקם מן השער כדי לדכא רווח נמוך ⁇ מתחת 2 GHz. Simulation מאשר גורם רולט וgt; 1 מ DC עד 20 GHz.

(ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מודול הרש"פ זה, כאשר משולב ב-V2X transceiver, יכול לתמוך בטווח תקשורת של יותר מ-500 מ' בתנאי קו-of-sight, מספיק עבור רוב יישומי המודעות העירוניים והכבישיים.

נושאים מתקדמים: Digital Pre-Distortion and Envelope Tracking

כדי להגביר את היעילות תוך שמירה על לינאריות, עיצובים מודרניים רבים של AV PA משלבים טרום-הבחנה דיגיטלית (DPD) או מעקב המעטפה (ET) DPD פועל על ידי יצירת מודל הפוך של הלא-לינאריות של הרשות הפלסטינית ו pre-distorting אות בסיס קלט כך שהפלט הרש"פ הוא ליניארי. עבור יישומים, DPD חייב לפעול עם מהירויות נמוכות (under 100 מיקרו) כדי להתאים את המודל האמיתי של VGAX2.

מעקב אחר Envelope מתאים למתח הניקוז בזמן אמת לעקוב אחר המעטפה של האות המונום.על ידי שמירה על הרשות לפעול בדחיסה בכל עת, ET יכול לשפר את PAE ב 10-20 נקודות לעומת הטיה קבועה.האתגר הוא הצורך בפס רחב, מתגים בעלי יעילות גבוהה DC-DC המרמיר שיכול לעקוב אחר רוחב פס של 40 M או יותר - דרישה קשה בסביבה של רכב (12NX).

מגמות עתידיות: מ"מ ו-AI-Optimated Amplifiers

הדור הבא של כלי רכב אוטונומיים ידרוש שיעורי נתונים מעל 1 Gbps עבור עדכונים מפתים גבוהה, שיתוף חיישן, וטלוויזיוניזציה.זה משנה את תדירות התפעול לתוך להקות גלי מילימטר (למשל, 28 GHz, 39 GHz, 60 GHz, 60 GHz). בתדרים אלה, עיצוב הרש"פ עומד בפני מכשולים חדשים: אובדן נתיב קיצוני, רווח טרנזיס, סובלנות הדוקה ל- PCB.

מערך Beamforming יהיה חיוני כדי להשיג את תקציב הקישור הדרוש.כל רכיב אנטנה במערך של 64-elementd דורש הרש"פ ייעודי, אבל כוח DC הכולל חייב להישאר בתוך תקציב סביר.זה הוביל עניין ב-CMOS PAs באמצעות transistors מחסנים כדי להתגבר על מתח התמוטטות נמוך, וב- GaN-on-SiC עבור גבוה PAE ב-Wave, לדוגמה, חוקרים הוכיחו RM2, עם מערך של 8.

אינטליגנציה מלאכותית נכנסת גם לזרימת העיצוב.רשתות נילי יכולות להיות מאומנים לחזות התנהגות של הרש"פ בתנאי טמפרטורה ודעה קדומה שונים, המאפשרות הטיה אדפטיבית ו-DPD שמתחזקות ביצועים אופטימליים ללא כפייה ידנית.יתר על כן, אופטימיזציה של עומס מונעי בינה מלאכותית יכולה לחקור אלפי שילובים בלתי מאולתרים מהר יותר מאשר סימולציה מסורתית של EM, תוך הפחתה של החיפוש עבור חברות הסחר הטובות ביותר כמו LTF: 1.

מסקנה

תכנון מערכות תקשורת אוטונומיות של כלי תקשורת הוא אתגר רב תחומי המשלב הנדסת מיקרוגל, ניהול תרמי ואמינות רכב.המפתח לרש"פ מוצלח נמצא במבחר זהה של הטכנולוגיה - GaN עבור כוח גבוה ויעילות, SiGe לאינטגרציה - ובזרימה קפדנית כי חשבונות עבור לחצים בעולם האמיתי, פיתוח טכניקות כמו pre-distoration, מעקב, וניתן לדחוף את הגבולות האוטונומיים של התעשייה האוטונומית, אשר מאפשר שמירה על פני השטח של כלי רכב מאובטחים, אשר מאפשר שמירה על פני השטח של מערכת ההפעלה באופן מלא.