Инновации в области проектирования широкополосных усилителей мощности для программно-определяемых радиосистем

Растущие требования к усилителям мощности в программно-определяемом радио

Программно-определяемое радио (SDR) преобразовало современную беспроводную связь, переключая обработку сигналов с фиксированного оборудования на реконфигурируемое программное обеспечение. Эта гибкость позволяет одной радиоплатформе поддерживать несколько форм волн, полос частот и стандартов - от тактических линий HF до миллиметрового диапазона 5G. Однако передний край радиочастот (RF), особенно усилитель мощности (PA), остается узким местом. PA, предназначенный для SDR, должен работать через широкую мгновенную полосу пропускания - часто охватывающий одну или несколько октав - обеспечивая высокую линейность и эффективность. Последние инновации в широкополосной конструкции PA прорывают эти ограничения, позволяя SDR-системам, которые являются более универсальными, энергоэффективными и термически управляемыми.

Важность PA в SDR нельзя переоценить. Он потребляет большую часть мощности системы постоянного тока, генерирует наибольшее количество тепла и в значительной степени определяет общую точность сигнала. Поскольку SDR толкают к агрегации несущих, когнитивному радио и динамическому доступу к спектру, PA должен поддерживать производительность в все более широких диапазонах частот, не жертвуя эффективностью или линейностью. В следующих разделах рассматриваются основные проблемы, последние дизайнерские инновации и будущая траектория широкополосной технологии PA для SDR.

Основные проблемы в дизайне широкополосного усилителя мощности

Проектирование ПА, который хорошо работает на широкой полосе пропускания, включает в себя сложное взаимодействие электрических, тепловых и физических ограничений. Основными техническими препятствиями являются:

Линейность и верность сигнала

Системы SDR часто используют сложные схемы модуляции, такие как 64-QAM или OFDM, которые имеют высокие коэффициенты мощности от пика до среднего (PAPR). Чтобы избежать спектрального роста и искажения в полосе, PA должен работать в почти линейной области. Достижение линейного усиления в широком частотном диапазоне затруднено, потому что коэффициент усиления транзистора и фазовые характеристики изменяются с частотой. Любая нелинейность ухудшает величину вектора ошибок (EVM) и может нарушать регуляторные спектральные маски. Следовательно, линейность является целью проектирования первого порядка, часто требующей передовых методов линеаризации.

Эффективность через полосу пропускания

Высокая эффективность имеет важное значение для уменьшения рассеивания тепла и продления срока службы батареи в портативных СПЗ. Эффективность обычного ПА достигает пиков вблизи его насыщенной выходной мощности, но эффективность резко падает на уровнях обратного отключения, типичных для сигналов с высоким ПАРП. Широкополосная работа усугубляет это: сети, соответствующие импедансу, которые являются оптимальными на одной частоте, могут привести к снижению эффективности на других. Поддержание эффективности > 40% от расхода по многооктавной полосе пропускания при одновременном размещении коэффициентов гребня модуляции 8-10 дБ остается значительной проблемой.

Широкополосное импедансное соответствие

PA обеспечивает максимальную мощность, когда выходное сопротивление транзистора соответствует нагрузке (обычно 50 Ω). Однако оптимальное сопротивление нагрузки транзистора изменяется с частотой из-за его внутренних паразитов. Проектирование соответствующей сети, которая представляет правильное сопротивление в широком диапазоне частот без чрезмерных потерь, нетривиально. Традиционное узкополосное согласование с использованием сгустковых элементов или линий передачи должно быть заменено распределенными или многосекционными подходами. Сравнение между пропускной способностью, потерей вставки и физическим размером приводит к большей части инноваций в согласовании дизайна сети.

Тепловое управление в плотном широкополосном PA

Широкополосные ПУ часто требуют нескольких ступеней усиления или комбинации устройств для покрытия требуемой полосы пропускания, увеличивая плотность тепла. Плохое управление теплом приводит к повышению температуры перехода, что снижает надежность, снижает эффективность и сдвигает эксплуатационные характеристики транзистора. Современные модули SDR становятся все более компактными, оставляя мало места для громоздких теплоотводов. Поэтому тепловая конструкция должна быть интегрирована в компоновку ПУ с самого начала, используя передовые подложки, теплораспределяющие материалы и эффективные подходы к охлаждению.

Инновационные подходы к проектированию широкополосных усилителей мощности SDR

Исследователи и инженеры разработали несколько мощных методов для решения вышеупомянутых проблем. Эти инновации не являются взаимоисключающими; часто лучшие широкополосные PA объединяют несколько подходов.

1. Широкополосные сети сопоставления и распределенные топологии

Традиционное узкополосное согласование использует простую LC-сеть или односекционный трансформатор. Для широкополосной работы конструкторы используют многосекционные импедансные трансформаторы (такие как Чебышев или биномиальные трансформаторы), обеспечивающие постепенное преобразование импеданса по частоте. Сети с несколькими этапами также могут использоваться на более низких микроволновых частотах. Другой мощный подход — это топология распределенного усилителя (DA), которая использует структуру линии передачи для объединения выходов нескольких транзисторов. DA по своей сути обеспечивает многооктавную полосу пропускания, отличную плоскость усиления и хорошее соответствие ввода/вывода. Современные реализации распределенных усилителей с использованием устройств GaN продемонстрировали выходы мощности, превышающие 10 Вт от постоянного тока до 40 ГГц. Ключевой компромисс — эффективность: распределенные усилители обычно имеют более низкую эффективность отвода, чем одноконцевые конструкции, потому что множество транзисторов всегда смещено.

В ходе недавних исследований были также изучены несоответствующие сети, которые используют активные схемы для отмены паразитных реактивных действий, теоретически обеспечивая неопределенную пропускную способность. Однако проблемы стабильности и шума до сих пор ограничивали практическое применение. Для большинства приложений SDR пассивное многосекционное или распределенное сопоставление остается рабочей лошадкой.

2. Нитрид галлия (GaN) - технология транзисторов

Ни одно новшество не оказало большего влияния на широкополосную производительность PA, чем транзисторы GaN-on-SiC. Высокая подвижность электронов GaN и высокое напряжение разрушения позволяют работать при гораздо более высоких напряжениях стока (28 В до 50 В или более), чем традиционные устройства GaAs или кремниевые LDMOS. Это приводит к более высокому выходному импедансу, что упрощает согласование широкополосной связи. Кроме того, отличная теплопроводность GaN (особенно на подложках SiC) позволяет более высокую плотность мощности. GaN HEMTs может доставлять десятки ватт выходной мощности по полосам пропускания, превышающим десятилетие. Например, коммерческий модуль GaN PA мощностью 20 Вт может покрывать 2-18 ГГц с плоским коэффициентом усиления и хорошей эффективностью. Принятие GaN сделало возможным создание широкополосных PA, которые ранее были невозможны с более старыми технологиями. Хорошую внешнюю ссылку на дизайн GaN PA можно найти в Microwave Journal .

3. Цифровое искажение (DPD) для широкополосной линейной обработки

DPD — это метод линеаризации, который преобразует входной сигнал для компенсации нелинейности PA. В системе DPD процессор базовой полосы моделирует поведение PA (обычно с использованием полиномов памяти или нейронных сетей), затем преинвертирует сигнал так, что каскад предизортеров и PA производит линейный выход. Для широкополосных SDR DPD должен обрабатывать частотно-зависимые нелинейности — задача, известная как эффекты памяти. Расширенные алгоритмы DPD, которые включают несколько касаний и межсрочной памяти, могут линеаризовать PA по полосам пропускания 100 МГц или более. Интеграция DPD в SDR является естественной, поскольку цифровая обработка уже существует в системе. Используя DPD, PA может быть более сложным в насыщение (более высокая эффективность) при одновременном соблюдении требований к линейности. Этот метод теперь стандартен в клеточной инфраструктуре и все чаще применяется к тактическим и когнитивным SDR. Отличный обзор DPD для широкополосных систем доступен из Аналоговые устройства

4. Отслеживание контуров (ET) для повышения эффективности

Отслеживание контура модулирует напряжение питания PA в режиме реального времени, чтобы следовать за оболочкой радиочастотного сигнала. Это удерживает транзистор, работающий вблизи его пиковой области эффективности, даже при уровнях обратного отключения питания. В то время как ET успешно развернут в PA телефонов 4G / 5G, его применение к широкополосным SDR более сложно, потому что полоса пропускания оболочки должна быть в несколько раз шире, чем полоса пропускания радиочастотного сигнала, чтобы поддерживать точность отслеживания. Несмотря на это, современные системы ET на основе GaN с быстрыми источниками питания коммутации продемонстрировали комбинированную эффективность (PA + питание) выше 60% по октаве частоты. Метод особенно привлекателен для SDR с питанием от батареи, где каждый милливатт считается.

5. Архитектура Доэрти с поддержкой широкополосного доступа

Классический Doherty PA использует основной усилитель и пиковый усилитель для повышения эффективности при обратном отключении. Основной усилитель работает в классе AB, в то время как пиковый усилитель включается на более высоких уровнях мощности. Традиционно усилители Doherty имеют относительно узкую полосу пропускания (~10-15%) из-за требуемой сети инвертора импеданса. Однако недавние инновации, такие как модифицированные топологии Doherty с многосекционными инверторами, асимметричное разделение мощности и цифровое управление точками смещения, расширили полосу пропускания для покрытия полной октавы или более. Например, была продемонстрирована широкополосная Doherty PA, покрывающая 1,5-3,0 ГГц со средней эффективностью 40% при обратном отключении 6 дБ. Объединение Doherty с DPD дает мощную комбинацию для приложений SDR, требующих как высокой эффективности обратного отключения, так и линейности.

Пример: Практичный 2-6 ГГц широкополосный модуль GaN PA SDR

Чтобы обосновать эти концепции в реальности, рассмотрим недавний пример проектирования от оборонного подрядчика: широкополосный модуль GaN PA 2-6 ГГц, предназначенный для многоступенчатого SDR. Модуль использует двухступенчатую топологию: водительская стадия с использованием 0,15 мкм транзистора GaN и заключительная стадия с использованием 0,25 мкм GaN HEMT. Водитель обеспечивает 20 дБ усиления, а выходная стадия предназначена для сжатия 30 дБм (1 Вт) при эффективности слива выше 35% по всей полосе. Широкополосное соответствие достигается с использованием многосекционного трансформатора микрополосы, изготовленного на основе высоко-εr, с низким убытком (Rogers 4350B). Тепловое управление использует медно-молибденово-медный (CMC) базовый планшет и алмазный теплораспределитель непосредственно под транзисторным кристаллом. Модуль включает в себя интегрированный датчик температуры и контроллер смещения, который регулирует напряжение затвора для поддержания постоянного покоящегося тока над температурой. С двигателем DPD, реализованным в FPGA, модуль

Новые материалы и технологии для широкополосных PA следующего поколения

Неустанное стремление к более высоким частотам и более широким полосам пропускания продолжает стимулировать исследования материалов. Несколько новых технологий обещают еще больше повысить производительность PA:

Подложки GaN-on-Diamond

Заменяя SiC синтетическим алмазом, теплопроводность почти удваивается (2000 Вт/мк против ~400 Вт/мк для SiC). Это позволяет транзисторам GaN работать при гораздо более высокой плотности мощности без теплового бегства. Прототипы продемонстрировали плотность мощности, превышающую 40 Вт/мм в X-диапазоне, что может перевести в более компактные широкополосные PA для SDR. Полезный ресурс по GaN-на-алмазе доступен из EE Times .

AlGaN / GaN HEMTs с оптимизированными буферными слоями

Достижения в области эпитаксиального роста улучшили подвижность электронов и уменьшили плотность ловушек, что привело к снижению эффектов памяти и лучшей линейности на широких полосах пропускания.Устройства с углеродными буферами и феодированными полуизоляционными подложками теперь коммерчески доступны.

Ферроэлектрические и акустические волновые технологии

Новые тонкопленочные сегнетоэлектрические материалы (например, BaSrTiO3) предлагают конденсаторы с настраиваемым напряжением, позволяющие в режиме реального времени адаптировать подключение импеданса. Настраиваемая подстраиваемая сеть с цифровым управлением может регулировать сопротивление нагрузки PA при изменении частоты, максимизируя эффективность по всей полосе. Такие адаптивные сети все еще находятся на стадии исследования, но имеют большие перспективы для будущих когнитивных SDR, которые прыгают по многим частотным каналам.

Инновации в области термоменеджмента для компактных широкополосных PA

По мере увеличения плотности мощности, управление температурой становится ограничивающим фактором. Три метода набирают силу в широкополосных модулях PA:

Тенденции интеграции: к широкополосным PA-системам в пакете

Производители SDR все чаще переходят от дискретных модулей PA к полностью интегрированным решениям системы в упаковке (SiP), которые объединяют PA, соответствующие сети, схему смещения и даже двигатель DPD на одной подложке. Для работы с широким диапазоном требуется тщательная электромагнитная изоляция между цифровым и аналоговым секциями, а также соединения с низким уровнем потерь. Передовые технологии упаковки, такие как встроенный кристалл, сквозные стеклопакеты и гетерогенная интеграция GaN и Si CMOS, позволяют использовать эти компактные модули. Примером является серия ADMV10xxx от Analog Devices, которая объединяет широкополосный GaN PA с сопроцессором DPD в одном пакете, упрощая дизайн SDR интерфейса.

Будущие направления: AI-оптимизированный дизайн PA и когнитивный контроль

Заглядывая вперед, машинное обучение готово повлиять на широкополосный дизайн PA. Алгоритмы ИИ могут оптимизировать согласование топологий сети, прогнозировать производительность в различных вариантах процессов и даже адаптировать PA-предвзятость в реальном времени на основе статистики сигналов. Для SDR, когнитивного PA, который чувствует свою рабочую частоту, температуру и уровень мощности, а затем автоматически регулирует свою схему смещения и согласования, может достичь почти оптимальной эффективности и линейности в каждой точке своей полосы пропускания. Такое управление замкнутым циклом требует быстрых цифровых процессоров и продвинутых алгоритмов, но присущая SDR цифровая обработка делает его идеальной платформой.

Еще одной перспективной областью является использование реконфигурируемых сетей энергоснабжения. Путем динамического включения или отключения нескольких ячеек блока PA общая выходная мощность и эффективность могут быть оптимизированы для различных форм волн. Это аналогично управлению мощностью в цифровых процессорах. Широкополосный SDR может, например, использовать четыре ячейки блока 1 Вт для выхода 4 Вт или комбинировать их для взрыва 10 Вт. Задача заключается в поддержании соответствия широкополосного импеданса в разных состояниях объединения.

Заключение

Неустанная эволюция программно-определяемого радио требует силовых усилителей, которые являются такими же гибкими, как цифровой бэкэнд. За последнее десятилетие инновации в широкополосном согласовании, технология транзисторов GaN, цифровое искажение, отслеживание оболочек и передовая тепловая упаковка значительно улучшили производительность широкополосных PAs. Системы, которые когда-то охватывали только одну октаву, теперь охватывают несколько октав с эффективностью и линейностью, которые бросают вызов лучшим узкополосным конструкциям. Поскольку такие материалы, как алмаз и AlGaN, расширяют физические пределы, и поскольку адаптация на основе ИИ становится практичной, будущие широкополосные PA для SDR станут еще более способными, меньшими и более энергоэффективными. Эти достижения позволят SDR действительно выполнить свое обещание: одно радио, которое может разговаривать с любой формой волны, на любой частоте, в любое время.