Эволюция технологий Rf-усилителей для малых ячеек и развертываний

Быстрое уплотнение беспроводных сетей, обусловленное ненасытным спросом на высокоскоростные данные и распространением устройств 5G и Интернета вещей (IoT), поставило беспрецедентные требования к радиочастотной (RF) инфраструктуре на краю сети. Малые ячейки и распределенные антенные системы (DAS) стали важными инструментами для обеспечения надежного покрытия высокой емкости в городских каньонах, стадионах, аэропортах и других средах высокой плотности. В основе этих систем лежат усилители радиочастот - критические компоненты, которые повышают мощность сигнала для преодоления потери пути, поддержания целостности сигнала и обеспечения того, чтобы абоненты испытывали постоянную скорость передачи данных. За последние два десятилетия эволюция технологий усилителей радиочастот была не чем иным, как преобразующей, переходя от громоздких, неэффективных конструкций к компактным, интеллектуальным электростанциям, которые позволяют самой ткани современной беспроводной связи. Эта статья прослеживает эту эволюцию, рассматривает ключевые технологии, приводящие к текущим развертываниям, и смотрит вперед к инновациям, которые будут формировать будущие архитектуры малых ячеек и DAS.

Ранние технологии усилителей РФ: от вакуумных труб до твердотельных оснований

Самые ранние РЧ-усилители, используемые в распределенных антенных системах и ранних сотовых ретрансляторах, были основаны на технологии вакуумных труб. Трубы, такие как тетроды и клистроны, могли обеспечивать значительную мощность — часто сотни ватт — но имели значительные недостатки. Они были физически большими, генерировали огромное тепло, требовали высоковольтных источников питания и страдали от плохой линейности, которая вводила искажения и ограничивала схемы модуляции, которые могли быть поддержаны. В аналоговую эпоху AMPS и ранних GSM эти ограничения были терпимыми, потому что полосы пропускания сигнала были узкими, а скорость передачи данных была низкой.

Переход на твердотельные транзисторы в 1990-х годах ознаменовал собой важную веху. Силиконовые биполярные транзисторы перехода (BJT) и более поздние поперечно диффузные транзисторы металл-оксид-полупроводник (LDMOS) предлагали значительно меньшие следы, более низкие рабочие напряжения и повышенную надежность. LDMOS, в частности, стала рабочей лошадкой усилителей базовых станций сотовой связи в течение почти двух десятилетий. Его способность обрабатывать высокие уровни мощности (десятки ватт на устройство) при сохранении разумной линейности сделала его пригодным для развертывания макроэлементов. Однако для небольших ячеек и случаев использования DAS ранние устройства LDMOS все еще боролись с эффективностью, особенно на более низких уровнях мощности, типичных для внутренних систем. Управление тепловой энергией, необходимое для даже умеренного увеличения мощности, добавило затраты и размер штрафы, которые сделали интеграцию в компактные корпуса сложной задачей.

К началу 2000-х годов ограничения кремниевых усилителей стали узким местом для уплотнения сети. Операторы требовали меньшие, более энергоэффективные агрегаты, которые можно было бы устанавливать на уличную мебель, внутренние потолки или на фасады зданий без активного охлаждения. Эта необходимость заложила основу для нового поколения полупроводниковых материалов и архитектур усилителей.

Прогресс в области дизайна усилителей: GaAs, GaN и LDMOS Evolution

Внедрение в конце 1990-х годов транзисторов с арсенидом галлия (GaAs) принесло значительные улучшения в высокочастотной производительности и линейности. Устройства GaAs показали более высокую подвижность электронов, чем кремний, что позволило им эффективно работать на частотах выше 2 ГГц — спектр, где работают многие небольшие ячейки и системы DAS. Однако усилители мощности GaAs были ограничены более низкими уровнями мощности (обычно несколько ватт) и были относительно дорогими в производстве. Их основное применение было на этапах драйвера многоступенчатых усилителей и в маломощных удаленных радио головках.

Реальный прорыв произошел с коммерциализацией транзисторов нитрида галлия (GaN) в 2010-х годах. Устройства GaN-на-кремние и GaN-на-кремниевых карбида предлагают сочетание высокой плотности мощности, широкой полосы пропускания и отличной эффективности, с которой кремний и GaAs просто не могут сравниться. Один транзистор GaN может доставлять 50-100 Вт мощности радиочастот в упаковке, составляющей часть размера сопоставимого устройства LDMOS. Кроме того, высокое напряжение пробоя GaN и низкая паразитная емкость обеспечивают эффективную работу в нескольких частотных диапазонах - решающее преимущество для многодиапазонных усилителей малых ячеек, которые должны поддерживать 4G LTE, 5G NR, а иногда и Wi-Fi одновременно.

В течение этого же периода технология LDMOS не стояла на месте. Расширенные варианты LDMOS, часто интегрированные с подложками кремниевых изоляторов (SOI), достигли более высокой эффективности и лучшей линейности. Однако LDMOS по своей сути остается ограниченным из-за его более низкой частотной производительности и более высокой выходной емкости, что делает GaN предпочтительным выбором для новых конструкций малых ячеек и DAS, особенно для развертывания 5G в средней полосе и мм волн.

Дальнейшее ускорение внедрения GaN было обусловлено усовершенствованием упаковки и управления температурой. Современные усилители GaN часто включают монтаж с флип-чипом, интегрированные теплоотводы и передовые материалы теплового интерфейса, которые позволяют им надежно работать при высоких температурах окружающей среды, типичных для наружных корпусов малых ячеек. В результате усилители на основе GaN стали стандартом для большинства новых установок малых ячеек и DAS с 2020 года.

Примечание: Для более глубокого технического сравнения полупроводниковых материалов в мощности радиочастотного излучения руководство Mouser Electronics по GaN против LDMOS предлагает доступный обзор.

Современные технологии усилителей РФ: SSPA, Doherty и цифровой интеллект

Твердотельные усилители мощности (SSPA)

Сегодня подавляющее большинство усилителей малой ячейки и DAS RF представляют собой твердотельные усилители мощности (SSPA), построенные вокруг устройств GaN или продвинутых LDMOS. SSPA предлагают неотъемлемые преимущества по сравнению с устаревшими решениями на основе трубок: они компактны, высоконадежны (не время разогрева или деградация катода) и могут быть легко интегрированы с цифровой схемой управления. Типичные уровни выходной мощности для малых ячеек SSPA варьируются от 1 Вт до 20 Вт на носитель, в то время как усилители DAS могут производить 20–100 Вт для обслуживания более крупных зон покрытия.

Архитектура Герти

Одним из наиболее значительных архитектурных инноваций в современном RF-усилении является усилитель Doherty. Первоначально изобретенный в 1930-х годах для вакуумных ламповых AM-передатчиков, топология Doherty была возрождена и усовершенствована для современных твердотельных устройств. В усилителе Doherty основной (носитель) усилитель работает в классе AB и обрабатывает уровни сигнала от низкого до среднего, в то время как пиковый усилитель включается для пиков более высокой мощности. Эта конфигурация значительно повышает среднюю эффективность - часто от типичных 30-40% до 50-60% - под модулированными сигналами, используемыми в LTE и 5G. Для небольших ячеек и развертываний DAS, где усилители часто работают намного ниже своей пиковой мощности из-за различной нагрузки на трафик, конструкция Doherty меняет правила игры для снижения потребления энергии и рассеивания тепла.

Отслеживание конвертов и цифровое искажение

Дальнейшее повышение эффективности достигается за счет отслеживания оболочек (ET) и цифрового преискажения (DPD). Отслеживание контура динамически регулирует напряжение питания усилителя, чтобы соответствовать мгновенной оболчке радиочастотного сигнала, обеспечивая, что усилитель работает вблизи своей пиковой точки эффективности в любое время. DPD, с другой стороны, использует цифровую обработку сигнала для пре-искажения входного сигнала таким образом, что отменяет присущие усилителю нелинейности. При сочетании ET и DPD могут повысить общую эффективность усилителя выше 65% при сохранении отличной линейности - критическое требование для схем модуляции высокого порядка, таких как 256-QAM и 1024-QAM, используемых в 5G.

Современные интегральные схемы малых ячеек и DAS (IC) теперь объединяют РЧ силовой транзистор, ДПД двигатель и модулятор ET в один чип или модуль. Эти высокоинтегрированные решения уменьшают количество компонентов и упрощают конструкцию мультиполосных мультинесущих усилителей. Например, портфель RF усилителей мощности Analog Devices включает в себя устройства, специально оптимизированные для малых ячеек и DAS с интегрированными цифровыми интерфейсами.

Для получения более подробной информации о роли ИИ в оптимизации интерфейса RF см. статью Microwave Journal о машинном обучении для усилителей мощности RF .

Новые полупроводниковые материалы: GaN-on-SiC и Beyond

В то время как GaN-на-кремниевом силиконе стал основным, GaN-на-кремниевом карбиде (GaN-на-SiC) предлагает еще более высокую теплопроводность и лучшую производительность на частотах mmWave. Этот материал подложки быстро набирает тягу для усилителей малых ячеек 28 ГГц и 39 ГГц, где плотность мощности и эффективность на высоких частотах имеют первостепенное значение. Заглядывая дальше, такие материалы, как оксид галлия (Ga2O3) и алмазные подложки обещают еще больше повысить эффективность и плотность мощности, хотя они остаются на стадии R & D для усиления мощности RF.

Интеграция с Antenna и Beamforming

В массивных системах активных антенн MIMO (AAS) - распространенных в малых ячейках 5G - усилитель RF приближается к элементу антенны, часто интегрируется в ту же упаковку, что и фазовый сдвигатель и усилитель с низким уровнем шума. Этот подход с минимальными потерями линий подачи и обеспечивает более тонкую гранулярность луча. Для DAS появляются распределенные архитектуры усилителя с низким энергопотреблением, где отдельные модули усилителя с низким энергопотреблением размещаются непосредственно за каждым элементом антенны, уменьшая коаксиальные кабели и позволяя программно-определяемые схемы покрытия. Эта тенденция к распределенным, высоко интегрированным передним концам RF будет ускоряться, поскольку 5G на основе TDD продолжает доминировать.

Устойчивость и энергосбережение

Операторы находятся под растущим давлением, чтобы уменьшить углеродный след своих сетей. Усилители радиочастотного излучения следующего поколения должны будут достичь эффективности > 70% на средних уровнях мощности. Такие методы, как модуляция питания с многоуровневыми преобразователями и использование широкополосных устройств, уже приближаются к этой цели. Некоторые исследования изучают возможность сбора отработанной тепловой энергии от усилителей мощности до датчиков низкого напряжения в корпусе малых ячеек - замыкание цикла по энергетической устойчивости.

Заключение

Эволюция технологий усилителей RF сыграла важную роль в обеспечении быстрого роста сетей малых ячеек и DAS. От громоздких усилителей вакуумных труб аналоговой эпохи до современных компактных, усовершенствованных с помощью ИИ модулей GaN каждое поколение технологий решало две проблемы энергоэффективности и линейности при одновременном снижении физического воздействия. Поскольку беспроводные сети продолжают уплотняться для удовлетворения потребностей в мощности, усилители RF останутся критическим фокусом для инноваций. Интеграция машинного обучения, новых полупроводниковых материалов и передового цифрового управления обеспечит, чтобы небольшие ячейки и DAS могли обеспечить высокоскоростную, надежную связь, которую требуют городские и внутренние среды. Для инженеров и сетевых планировщиков оставаться в курсе этих разработок не просто выгодно - это важно для проектирования сетей, которые являются одновременно высокоэффективными и устойчивыми.

Для более широкого взгляда на проблемы развертывания малых ячеек белая книга 5G Americas о малых ячейках предоставляет ценный контекст о роли усиления радиочастот в общей радиоархитектуры.