Проектирование усилителей мощности для мобильных сетей 5g: проблемы и решения

Проектирование усилителей мощности (УУС) для мобильных сетей 5G представляет уникальные проблемы, которые выходят далеко за рамки тех, которые встречаются в системах 4G LTE. Переход на миллиметровые частоты, более широкие полосы пропускания каналов и необходимость в массивных многократных вводных многократных выходных (MIMO) архитектурах предъявляет крайние требования к линейности, эффективности и управлению тепловыми потоками. Усилители мощности базовой станции и пользовательского оборудования должны одновременно обеспечивать высокую выходную мощность с низкими искажениями при работе в полосах частот, охватывающих 24 ГГц до 52 ГГц и за ее пределами. Эта статья обеспечивает углубленный технический взгляд на ключевые трудности, с которыми сталкиваются инженеры при проектировании 5G PAs, полупроводниковые технологии, обеспечивающие прорывы производительности, и методы схемы, которые делают современные сети 5G жизнеспособными.

Основные проблемы в дизайне усилителя мощности 5G

Создание усилителя мощности, отвечающего спецификациям 5G, является балансирующим действием, включающим множество взаимозависимых факторов. Каждая задача влияет на общую производительность системы и определяет выбор материалов, архитектуры и обработки.

Высокочастотные операции и паразитарные эффекты

На миллиметровых частотах выше 24 ГГц усиление транзисторов значительно падает, а паразитные емкости и индуктивности становятся большей долей желаемого импеданса. Выкладывание паразитов в упаковке, провода связи и межсоединения на кристалле может серьезно ухудшить коэффициент усиления и выходную мощность. Проектирование сетей соответствия на этих частотах требует тщательного электромагнитного моделирования и часто использования передовых материалов подложки, таких как глинозем или жидкокристаллический полимер (LCP). Преемственность плоскости земли, посредством размещения и разъединения, становится критической, чтобы избежать нежелательного распространения режима и обратной связи.

Широкая пропускная способность и линейность компромиссы

Каналы 5G NR (New Radio) могут быть шириной до 100 МГц в полосах до 6 ГГц и 400 МГц или более на частотах миллиметровых волн. Мгновенная полоса пропускания этой величины бросает вызов линейности обычных конструкций PA. Искривление амплитуды-амплитуды (AM/AM) и амплитуды-фазе (AM/PM) должно жестко контролироваться для удовлетворения требований к величине вектора ошибок (EVM) - обычно ниже 2,5% для сигналов 64-QAM и 1% для сигналов 256-QAM. Поддержание постоянной задержки группы и минимальных эффектов памяти в таких широких диапазонах требует тщательной конструкции схемы смещения и управления импедансом терминации базовой полосы.

Эффективность энергии и термоменеджмент

Базовые станции 5G должны доставлять уровни мощности от нескольких ватт до нескольких десятков ватт на антенный элемент. С десятками или сотнями элементов в активной антенной решетке общее энергопотребление постоянного тока становится огромным. Любое улучшение эффективности PA напрямую снижает затраты на охлаждение, эксплуатационные расходы и углеродный след. PA должен работать с максимальной эффективностью для относительно высокого соотношения мощности к средней (PAPR), типичного для сигналов OFDM - часто 8-11 дБ. Эффективная обратная работа становится необходимой. Эффективное отключение увеличивается на частотах mmWave, потому что меньшие геометрии устройства создают более высокие плотности тока и плотности мощности, повышая температуры перехода и ускоряя отказы надежности.

Степень целостности сигнала и снижение рестового фактора

Схемы модуляции, используемые в 5G, такие как DFT-s-OFDM и CP-OFDM, имеют высокий PAPR, который заставляет PA работать в значительном отставании от его насыщенной выходной мощности, чтобы избежать обрезки и спектрального роста. Такие методы, как снижение коэффициента цифрового гребня (CFR), обычно применяются для снижения PAPR на 2-4 дБ за счет небольшого увеличения EVM. Разработчик PA должен работать с системными инженерами для оптимизации компромисса между EVM, коэффициентом утечки смежных каналов (ACLR) и общей эффективностью.

Интеграция системы и упаковка

В массивных MIMO-массивах PA должен быть физически близок к антенному элементу, чтобы минимизировать потери линии подачи. Это требует высокоинтегрированных упаковок, которые сочетают PA, усилитель с низким уровнем шума, переключение и фильтры в компактном пространстве с отличной теплопроводностью. Флип-чип монтаж, упаковка вентилятора на уровне пластин и сквозные суспензии (TSV) являются общими подходами. Повторяемую производительность RF во всех элементах в фазированной матрице трудно достичь из-за изменений процесса, требующих алгоритмов калибровки и компенсации температуры на элемент.

Передовые полупроводниковые технологии для 5G PA

Выбор полупроводникового материала является основой любой конструкции PA.Для 5G конкурируют несколько технологий, основанных на плотности мощности, эффективности, частотном диапазоне и стоимости.

Нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC)

Галлиевый нитрид на карбиде кремния (GaN-on-SiC) является доминирующей технологией для мощных базовых станций PA выше 6 ГГц. GaN обеспечивает на порядок более высокую плотность мощности по сравнению с арсенидом галлия (GaAs) и кремнием, в сочетании с напряжениями пробоя, превышающими 100 В. Это позволяет работать от более высокого напряжения стока (28 В или 48 В), уменьшая ток и снижая омические потери. Широкий диапазон также позволяет температуру перехода до 200°С, упрощая тепловую конструкцию. GaN-on-SiC предлагает отличную теплопроводность благодаря подложке SiC, что делает его пригодным для непрерывной волны и работы с высоким рабочим циклом. Для массивной MIMO с частотой до 6 ГГц GaN-on-Silicon становится экономически эффективной альтернативой, хотя он имеет несколько более низкие тепловые характеристики.

Фосфид индия (InP) и германий кремния (SiGe)

Для самых высоких миллиметровых частот (выше 40 ГГц) биполярные транзисторы с гетеропереходом InP (HBT) предлагают наилучшее сочетание скорости и выходной мощности. InP PA часто используются в испытательном оборудовании и высокопроизводительных магистральных линиях связи. Однако они требуют дорогостоящих технологических этапов и менее надежны для коммерческой инфраструктуры. SiGe BiCMOS, с другой стороны, предлагает хорошие возможности интеграции с цифровой логикой управления, но его обработка мощности и линейность ограничены. SiGe лучше всего подходит для пользовательского оборудования (UE) PA в диапазоне 28-40 ГГц, где выходная мощность ниже +20 дБм.

Сравнение технологий для Sub-6 GHz и mmWave

Ниже 6 ГГц, LDMOS (впоследствии диффузный полупроводник оксида металла) был рабочей лошадкой в течение многих лет, но он заменяется GaN для его превосходной эффективности и пропускной способности. GaAs pHEMT (псевдоморфный транзистор с высокой электронной мобильностью) остается популярным для UE PA и небольших ячеек из-за его зрелого производства и высокой линейности при умеренных уровнях мощности. Для mmWave, GaN и InP являются единственными вариантами, которые могут доставлять 1-5 Вт на элемент, необходимый для формирующих луч массивов без чрезмерно больших кристаллических областей.

Инновационные методы проектирования схем

Даже при наличии превосходных транзисторов топология схемы и системные корректировки имеют решающее значение для достижения целей производительности 5G.

Усилители Doherty Power

Архитектура Doherty остаётся основой современных базовых станций PAs из-за её способности поддерживать высокую эффективность в широком диапазоне выходной мощности. В типичной двухсторонней Doherty усилитель несущей (основной) смещен в классе-AB, а усилитель пиковой мощности смещен в классе-C. При обратном выходе только несущая подаёт мощность, работая вблизи пиковой эффективности. По мере увеличения входного сигнала включается усилитель пиковой мощности, обеспечивающий ток на нагрузку через инверторную сеть импеданса. Для 5G разработаны трёхсторонние или четырёхсторонние конструкции Doherty для расширения области высокой эффективности на ещё более крупные сигналы PAPR. Однако схемы Doherty по своей сути узкополосные; методы, такие как реактивная компенсация, модифицированные комбинирующие сети и цифровая настройка задержки пиковой частоты, используются для поддержки 400 МГц или более полосы пропускания.

Отслеживание контуров (ET) и отслеживание средней мощности (APT)

Конвертное отслеживание динамически регулирует напряжение питания PA для следования мгновенной оболочке радиочастотного сигнала, обеспечивая, чтобы транзистор всегда работал в насыщении для максимальной эффективности. Этот подход может повысить эффективность на 10-15 процентных пунктов по сравнению с работой с фиксированным поставкой. Для UE PAs широко применяется ET, но для уровней мощности инфраструктуры потери в модуляторе оболочки и требуемая полоса пропускания сигнала становятся непомерно высокими при mmWave. Среднее отслеживание мощности, которое регулирует напряжение питания с более низкой скоростью (порядка микросекунд до миллисекунд), является более простой альтернативой, которая по-прежнему предлагает значительную экономию в среднем потреблении энергии для базовых станций с переменными нагрузками трафика.

Цифровое искажение (DPD) с машинным обучением

Цифровое преискажение использует процессор базовой полосы для создания обратной функции передачи нелинейности PA, так что каскад выглядит линейным. Для 5G DPD должен работать с полосами пропускания до 5× полосы пропускания сигнала из-за продуктов интермодуляции. Для захвата эффектов памяти и кросс-частотной связи используются модели Volterra, полином памяти и нейронные сети. Последние достижения в машинном обучении позволяют адаптивно обновлять коэффициенты DPD в реальном времени, компенсируя температурный дрейф, старение и несоответствие нагрузки. Реализации FPGA или ASIC DPD теперь стандартны в головках удаленного радио 5G.

Модуляция нагрузки и выключение

Помимо Доэрти, методы модуляции нагрузки, такие как переустановка Chireix и S-полярная (модулировка подачи), пересматриваются для mmWave. При переустановке два идентичных PA, приводимых в движение фазовыми сигналами, объединяют мощность в квадратурном спаривателе; амплитуда выхода контролируется разностью фаз. Это позволяет обоим PA работать с максимальной эффективностью, в то время как комбинированная амплитуда сигнала изменяется. Проблемы включают поддержание надлежащего выравнивания фаз на высоких частотах и управление реактивной нагрузкой, наблюдаемой каждым PA. Практические реализации демонстрируются в чипсетах 28-39 ГГц GaN с эффективностью более 50% при отсрочке 8 дБ.

Системные требования к инфраструктуре 5G

Активные антенные лучи и формирование луча

В массивных MIMO каждый PA приводит в движение отдельный антенный элемент. Фаза и амплитуда каждого PA настроены на формирование направленного пучка. Формирование луча требует жесткого контроля амплитуды PA-PA и согласованности фаз - обычно в пределах 0,5 дБ и 2 градусов. Градиенты температуры по всему массиву могут вызывать существенное несоответствие, поэтому датчики температуры на чипе и цифровые компенсационные петли интегрированы. Связь между элементами антенны также влияет на импеданс нагрузки, наблюдаемый каждым PA, что может вызвать падение эффективности и нелинейность. Изоляторы избегают из-за размера и стоимости, поэтому PA должны выдерживать несоответствие и быть спроектированы с устойчивостью к выходному уровню против отношения стоячих волн напряжения (VSWR) до 5:1.

Овер-Эйр (OTA) - испытания и калибровка

Поскольку 5G PA интегрированы в сборку антенн, обычные проводимые испытания через разъем больше невозможны. Для измерения EVM, ACLR и ложных выбросов требуется воздушное тестирование. Калибровочные процедуры вводят известные тестовые тона и используют обратную связь от приемника для корректировки усиления и фазы каждого PA. Это делается на начальном заводском тесте и непрерывно повторяется во время работы с использованием выделенных калибровочных пакетов. Понимание неопределенности измерения OTA и компенсация многолучевой среды тестирования является значительной инженерной задачей.

Будущие направления и новые решения

Оптимизированный ИИ контроль за предвзятостью

Машинное обучение применяется к управлению смещениями PA для максимизации эффективности для заданного шаблона трафика. Путем мониторинга ключевых показателей (текущий поток, температура, EVM) контроллер ИИ может регулировать смещения затвора, напряжение питания или состояния переключения устройств для поддержания оптимальной производительности без вмешательства оператора. Алгоритмы обучения с подкреплением продемонстрировали улучшение эффективности на 5-10% в лабораторных испытаниях в различных условиях нагрузки.

Новые материалы Beyond GaN

Исследователи исследуют нитрид алюминия галлия (AlGaN) с более высокой двумерной плотностью электронного газа и дальнейшим снижением сопротивления. Оксид галлия (Ga]2O3 и алмазные подложки предлагают еще более высокие поля разрушения и теплопроводность, соответственно, хотя эти материалы еще не созрели для производства высокообъемных радиочастот. В ближайшей перспективе укладка транзисторов GaN в конфигурации каскод или с использованием диэлектриков сегнетоэлектрических ворот может обеспечить следующий скачок в фигуре достоинства для миллиметровых волн PA.

Заключение

Разработка усилителей мощности для сетей 5G предполагает преодоление значительных технических препятствий, связанных с высокочастотной работой, экстремальными полосами пропускания, жесткими бюджетами линейности и строгими целями эффективности. Благодаря достижениям в области полупроводниковых материалов с широким диапазоном пропускания, таких как GaN и InP, в сочетании с инновационными схемными архитектурами, такими как Doherty, отслеживание оболочек и цифровое искажение, инженеры поставляют PA, которые отвечают требованиям инфраструктуры и устройств 5G. По мере того, как отрасль движется к 5G-Advanced и 6G, дальнейшие улучшения в тепловой интеграции, оптимизации на основе ИИ и новые подложки будут продолжать расширять границы производительности усилителей мощности. Инновации, обусловленные дизайном 5G PA, уже влияют на другие области, такие как спутниковая связь, радар и беспроводная обратная связь, цементируя усилитель мощности как краеугольный камень современной радиочастотной техники.

Внешние ресурсы: