Роль усилителей мощности в обеспечении высокоскоростной передачи данных для 6g-технологий

По мере ускорения глобальных исследований в направлении беспроводных сетей шестого поколения (6G) усиливается гонка за предоставлением терабит-в-секунде скорости передачи данных, субмиллисекундной задержки и повсеместной связи. В основе каждого приемопередатчика 6G лежит критический компонент, который часто определяет, могут ли быть достигнуты эти амбициозные цели: усилитель мощности (PA). В то время как большая часть публичного дискурса фокусируется на антенных массивах, новых частотных диапазонах и искусственном интеллекте, скромный усилитель мощности остается невоспетым героем высокоскоростной передачи данных. Без эффективных, линейных и высокочастотных конструкций PA даже самая продвинутая базовая станция или пользовательское оборудование не смогут проецировать сигналы на любое полезное расстояние или поддерживать целостность сигнала, необходимую для современных схем модуляции. В этой статье исследуется, как усилители мощности изобретаются заново для удовлетворения экстремальных требований 6G, фундаментальных физических и инженерных компромиссов, вовлеченных, и инноваций, которые сделают терагерцовую связь коммерческой реальностью.

Усилители мощности: основы и за их пределами

Усилитель мощности — электронная схема, повышающая уровень мощности входного сигнала, обычно радиочастотного (RF) или микроволнового сигнала, до уровня, достаточного для передачи через антенну.В системах беспроводной связи PA является последней активной стадией перед антенной и поэтому отвечает за доставку требуемой выходной мощности при сохранении оболочки модуляции.Фигура достоинства для любого PA охватывает коэффициент усиления, выходную мощность, эффективность, линейность, пропускную способность и термостабильность.Эти параметры часто находятся в конфликте: например, высокая эффективность имеет тенденцию ухудшать линейность, а широкая полоса пропускания может снижать коэффициент усиления плоскости.

Традиционные ПА, используемые в 4G и ранних системах 5G, были построены вокруг боково-распределённых полупроводниковых транзисторов оксида металла (LDMOS) или арсенид галлия (GaAs) pHEMT, работающих в полосах суб-6 ГГц. Для полос миллиметровых волн 5G (24-40 ГГц), нитрид галлия (GaN) на подложках из кремния или карбида кремния стал доминирующим из-за его высокого напряжения пробоя и плотности мощности. Для 6G, который, как ожидается, будет работать в диапазонах субтерагерца (100-300 ГГц) и более низких терагерцов (0,3-3 ТГц) даже GaN сталкивается с фундаментальными ограничениями, связанными со временем транзита, паразитной емкостью и тепловым управлением. В результате исследуются совершенно новые технологии устройства, такие как гетеропереходные биполярные транзисторы (HBTs), CMOS кремний-германий (SiGe) BiCMOS и новые двумерные материалы, такие как графен

Чтобы оценить роль PA в 6G, необходимо понять базовую работу цепи передатчика. Процессор базовой полосы генерирует модулированный сигнал, который преобразуется в несущую частоту с помощью смесителя, затем предварительно усиливается усилителем драйвера и, наконец, усиливается усилителем мощности до достижения антенны. PA должен обеспечивать достаточную мощность для преодоления потерь пути и помех при сохранении достаточно низкой величины вектора ошибок (EVM) для удовлетворения требований схемы модуляции 256-QAM или модуляции более высокого порядка, запланированной для 6G, требования линейности становятся чрезвычайно строгими.

Критическая роль усилителей мощности в системах 6G

6G стремится обеспечить пиковые скорости передачи данных 1 Тбит/с или более, что примерно в 50 раз превышает цель 5G. Такая пропускная способность зависит от огромных полос пропускания - от десятков гигагерц до, возможно, сотен гигагерц. Традиционные полосы частот ниже 6 ГГц слишком перегружены и узки, чтобы поддерживать эти скорости. Следовательно, 6G будет использовать так называемый «терагерцовый разрыв», в диапазоне от примерно 100 ГГц до 3 ТГц. На этих частотах атмосферное затухание (особенно от кислорода и водяного пара) является серьезным, шкала потерь свободного пространства как квадрат частоты, и доступная выходная мощность от полупроводниковых устройств резко падает. Усилитель мощности становится основным узким местом.

В 6G PA должен одновременно выполнять четыре основные функции:

Влияние на скорость передачи данных и качество сигналов

Скорость передачи данных в беспроводной линии связи прямо пропорциональна пропускной способности и спектральной эффективности. Усилитель мощности влияет как на PA, так и на недостаточную выходную мощность, заставляя систему использовать модуляцию более низкого порядка для поддержания заданного отношения сигнал-шум, снижая спектральную эффективность. Кроме того, если PA вводит нелинейное искажение, величина вектора ошибки ухудшается, заставляя приемник применять более надежные кодирующие или ARQ ретрансляции - оба из которых уменьшают эффективную пропускную способность. В массивных MIMO или системах с фазированными лучами многие PA работают параллельно, и их комбинированная производительность определяет эквивалентную изотропную излучаемую мощность (EIRP) и способность к управлению лучом. Для 6G предусмотрены массивы с сотнями или тысячами элементов, каждый из которых требует PA, который компактен, эффективен и способен работать по широкой полосе пропускания.

Технологические проблемы: тепло, линейность и физика Терагерца

Разработка усилителей мощности для 6G включает в себя преодоление фундаментальных физических и инженерных препятствий, которые расширяют границы возможного с помощью современных полупроводниковых технологий.

Теплоотдача при экстремальных частотах

По мере того, как рабочие частоты входят в субтерагерцовый диапазон, размеры характеристик транзистора сокращаются до десятков нанометров. Активная площадь устройства становится чрезвычайно малой, что приводит к интенсивной концентрации тепла. Для ГЭМТ тепловая проводимость подложки имеет решающее значение; даже при подложках SiC (теплопроводность ~ 350 Вт/м·К) тепловой поток может превышать 10 кВт/см2 в области затвора. Для ВП HBT, которые являются перспективными для частот выше 300 ГГц, теплопроводность намного ниже (около 68 Вт/м·К), усугубляя самонагрев. Теплоотдача и деградация усиления и эффективности являются серьезными проблемами. Разрабатываются передовые методы охлаждения, такие как микрофлюидные каналы, алмазные теплораспределители или монолитно интегрированные теплоотводы, но добавляют стоимость и сложность.

Линейность vs. Компромиссы эффективности

Классический компромисс между линейностью и эффективностью становится еще более выраженным на частотах суб-THz. Традиционные методы повышения линейности, такие как смещение класса А (высшая линейность, но максимальная эффективность 50%), непрактичны из-за низкого коэффициента усиления. Архитектуры усилителя мощности Доэрти, широко используемые в 4G/5G, становятся трудными для реализации из-за фазового сдвига и преобразования импеданса, необходимых на частотах миллиметровой волны и суб-THz. Новые методы линеаризации, включая аналоговое искажение, отслеживание оболочек или гибридные цифровые-аналоговые подходы, должны быть оптимизироваться с дизайном PA. Кроме того, эффекты памяти в PA становятся более серьезными из-за состояний ловушки в GaN и тепловой динамике, требующих сложного моделирования.

Паразитические потери и проблемы взаимосвязи

На частотах выше 100 ГГц даже несколько микрон межсоединительного металла могут привести к значительным потерям индуктивной реактивности, емкостной связи и линии передачи. Коэффициент качества (Q) индукторов на кристалле и трансформаторов падает, что приводит к потере сетей, соответствующих импедансу. Сеть согласования выходного сигнала PA должна трансформировать низкое импеданс транзистора (часто всего несколько Ом) до 50 Ом при покрытии широкой полосы пропускания. Традиционные конструкции с комковатыми элементами не работают; Распределенные подходы (например, копланарный волновод или микрополоса) необходимы, но потребляют площадь чипа и добавляют потери. Методы Flip-chip или гетерогенная интеграция изучаются для минимизации длины межсоединений, но они вводят проблемы теплотворности и надежности.

Инновации в полупроводниковых материалах и архитектуре устройств

Для преодоления ограничений существующих технологий исследователи и лидеры отрасли преследуют несколько параллельных путей.Выбор материальной системы во многом определяет границы частоты, мощности и эффективности ПА.

Нитрид галлия (GaN) и оксид галлия (Ga2O3)

Технология GaN продолжает совершенствоваться, с сообщениями о f max, превышающем 400 ГГц в глубоко масштабированных HEMT с длиной затвора ниже 20 нм. Для нижнего конца спектра 6G (100-200 ГГц), GaN-на-SiC PA уже может доставлять 1-2 Вт выходной мощности с PAE около 30%. Задача подталкивает GaN к 300 ГГц и за его пределами. оксид галлия, сверхширокий полупроводник с полосой пропускания, предлагает высокое поле пробоя, но плохую теплопроводность и низкую мобильность несущей; в настоящее время он изучается в основном для выпрямителей высокой мощности, а не PAs. Допинговые методы и гетероструктуры могут изменить это в будущем.

Фосфид индия (InP) HBTs

Технология InP HBT в настоящее время держит рекорд скорости транзистора, с f t и f max, превышающими 1,5 ТГц. Крупные литейные заводы, такие как Teledyne (США) и Fraunhofer IAF (Германия), продемонстрировали процессы InP HBT с шириной излучателя до 200 нм. Эти устройства достигают высокого усиления на частотах суб-THz, но страдают от низкого напряжения пробоя (обычно около 3-4 В), что ограничивает выходную мощность на транзистор. Для получения полезных уровней мощности несколько ячеек блока должны быть объединены с использованием комбинаторов мощности на чипе, которые вводят потери. Несмотря на это, InP PAs использовались для достижения более 20 мВт при 300 ГГц и являются ключевым кандидатом для диапазона 300-500 ГГц. 1

Кремний-германий (SiGe) BiCMOS

Технология SiGe BiCMOS, которая сочетает SiGe HBTs с традиционной логикой CMOS, предлагает экономически эффективный путь к интеграции. SiGe HBTs продемонстрировали f max за пределами 500 ГГц в последних поколениях. В то время как их выходная мощность на стадии ниже, чем InP, они могут быть интегрированы с цифровыми, аналоговыми и RF функциями на одном кристалле. Это делает SiGe привлекательным для систем с фазированными массивами со многими антенными элементами, где могут быть объединены тысячи PA-элементов. PAE SiGe PAs на 100-200 ГГц колеблется от 10% до 25%, и исследования продолжаются для улучшения линейности через адаптивное смещение. 2

Новые материалы: графен и 2D полупроводники

Двумерные материалы, такие как графен, дисульфид молибдена (MoS2) и черный фосфор, вызвали огромный интерес к высокочастотной электронике. Графен, в частности, может похвастаться подвижностью носителя, превышающей 10^5 см2/V·s, что может позволить работать терагерцовым с низким паразитическим сопротивлением. Однако графен не имеет пропускной способности, что приводит к плохому увеличению мощности и низкому выходному сопротивлению. Графеновые полевые транзисторы (GFET) показали обнаружение терагерцов, но не дотягивают до уровней мощности, необходимых для передачи. Гетероструктуры графена с гексагональным нитридом бора (hBN) или дихалкогенидами переходных металлов (TMD) могут обеспечить путь к улучшенной производительности; исследователи продемонстрировали GFET с f max, приближающимся к 1 ТГц. ]3

Инновации в архитектуре PA для 6G

Помимо материалов, новые топологии схем необходимы для извлечения максимальной производительности из доступных транзисторов.

Усилители мощности Doherty на Sub-THz

Архитектура Doherty, в которой для повышения эффективности на уровне мощности заднего хода используется усилитель несущей и пиковый усилитель, была основным продуктом в базовых станциях 4G и 5G макроэлементов. Портирование этого на частоты суб-THz требует тщательной конструкции инвертора импеданса (линия передачи lambda/4) и объединяющей сети. При 140 ГГц четвертьволновая линия в стандартном кремниевом процессе чрезвычайно коротка (~300 мкм), но ее потеря может ухудшить эффективность. Недавние исследования продемонстрировали компактную Doherty PA с использованием инверторов импеданса с комковатым элементом, достигая PAE 22% при 6 дБ обратном выходе в 28-нм CMOS-процессе на 60 ГГц. Расширение этого до 140 ГГц и за его пределами остается активной областью исследований.

Усилители транзисторов

Для InP HBT ограничения напряжения поломки ограничивают качание напряжения. Укладка нескольких транзисторов последовательно (как каскад) может увеличить эффективное качание выходного напряжения, тем самым улучшая мощность. Проблема заключается в том, что паразитные емкости сложенных устройств создают делитель напряжения, который уменьшает сигнал при сливе верхнего транзистора. Тщательная оптимизация компоновки и вставка индуктивного пикирования могут смягчить это. Исследователи из Калифорнийского университета и Калифорнийского университета в Сан-Диего продемонстрировали сложенные PA InP с выходными мощностями, превышающими 50 мВт при 370 ГГц. 4

Распределенные и путешествующие усилители волн

Распределенные усилители (DAs) объединяют несколько стадий усиления вдоль линии передачи, что позволяет работать в широкополосном диапазоне. На частотах суб-THz коэффициент усиления на стадии низкий, поэтому требуется много стадий, что приводит к высокому энергопотреблению постоянного тока. Однако для приложений сверхширокополосного диапазона (например, от 100 до 200 ГГц) DA может обеспечить плоский коэффициент усиления и умеренную выходную мощность. Исследуются варианты скользящих волн, использующие искусственные линии передачи с уменьшенными потерями. Основным недостатком является размер; индукторы на чипе и линии передачи потребляют значительную площадь гибки, что делает DA менее привлекательными для интеграции с фазированными массивами.

Влияние на производительность на системном уровне: формирование луча и MIMO

В 6G массивные MIMO и лучеобразование будут развернуты на суб-THz частотах. Каждый антенный элемент требует своего собственного PA, усилителя с низким уровнем шума, фазового переключателя и, возможно, преобразователей вверх/вниз. Потребление мощности PA доминирует над общим бюджетом мощности массива. Для массива с 1024 элементами, даже если каждый PA потребляет только 50 мВт, общее значение составляет 51,2 Вт, что представляет собой проблему управления теплом. PA должны быть объединены с лучеобразующими IC (BFIC), которые обрабатывают управление усилением и сдвиг фаз. Линейность PA имеет решающее значение, потому что любая нелинейность в одном элементе может создавать продукты интермодуляции, которые распространяются через пучок луча, вызывая помехи в смежных направлениях.

Цифровое искажение (DPD) может применяться на элемент, но вычислительная нагрузка масштабируется линейно с количеством элементов, которое может быть сотнями или тысячами. Гибридные аналоговые цифровые архитектуры формирования луча, где предварительное кодирование выполняется частично в базовой полосе и частично в аналоговой области, ослабляют требования к линейности на PAs, потому что общая мощность сигнала на PA ниже. Тем не менее, PA все еще должен поддерживать постоянную производительность по температуре, вариации процесса и частоте.

Будущий прогноз: путь к коммерческим 6G-PA

Первые коммерческие сети 6G ожидаются примерно к 2030 году. В промежуточный период необходимо достичь нескольких этапов:

  • Дорожные карты технологии устройств: Литейные заводы (TSMC, GlobalFoundries, Intel и др.) разрабатывают узлы SiGe BiCMOS с f max выше 700 ГГц. Процессы InP HBT должны демонстрировать надежность и выход, подходящий для объемного производства. Процессы GaN-on-SiC расширяются в D-диапазон (110-170 ГГц).
  • Передовая упаковка:] Гетерогенная интеграция PA InP или GaN с чипами управления SiGe BiCMOS будет необходима для объединения мощных устройств с высокой линейностью со сложной цифровой логикой. 3D-укладка и интерпосторы уменьшат потери межсоединений.
  • Инновации охлаждения: Встроенное охлаждение с использованием микрофлюидных каналов или термоэлектрических охладителей на чипе будет интегрировано в подложку PA для обработки тепловых потоков, превышающих текущее значение 5G PA.
  • AI-Assisted Design: Алгоритмы машинного обучения используются для кооптимизации топологии PA, компоновки и условий смещения с учетом целевых показателей производительности. Это сокращает время цикла проектирования и позволяет исследовать неинтуитивные геометрии.

Потенциал 6G — голографическая связь, цифровые двойники, беспроводное познание и зондирование с высоким разрешением — влияет на способность передавать данные со скоростью, которую не могут достичь современные технологии. Усилители мощности являются основой. Без значительных достижений в материалах, схемах и управлении температурой терагерцовое зрение остается лабораторным любопытством. Следующие несколько лет будут иметь решающее значение, поскольку испытательные стенды переходят от ранних прототипов к интегрированным чипсетам. Исследователи из промышленности и научных кругов сотрудничают в основных программах, таких как усилия ЕС Hexa-X и Министерства обороны США по THz GaN, направленные на производство PA, которые отвечают задаче 6G. Результатом будет новое поколение беспроводной инфраструктуры, которая переопределяет, что означает подключение.

В заключение, эволюция усилителя мощности от универсального компонента до специализированного, частотного и оптимизированного по эффективности модуля станет одной из самых важных технических историй предстоящего десятилетия. По мере того, как начнется стандартизация 6G (3 релиз 21 GPP ожидается около 2028 года), спецификации физического уровня потребуют PA, которые одновременно являются мощными, широкополосными, линейными и эффективными. Выполнение этих требований разблокирует терагерцовый спектр и откроет новую эру высокоскоростной беспроводной передачи данных.

Настоящая статья была подготовлена со ссылкой на следующие авторитетные источники:

  1. Fraunhofer IAF — Terahertz Communication для 6G
  2. Imec — SiGe BiCMOS для Terahertz Communications
  3. Природа — Графен для электроники Terahertz
  4. 2023 IEEE Симпозиум по интегральным схемам с полупроводниками соединений (CSICS) — InP PA Highlights
  5. 3GPP — 6G и Beyond