Küresel araştırma altıncı nesil (6G) kablosuz ağlara doğru hızlandığında, bu hırslı hedeflerin karşılanabilmesi için yarış: kamu söyleminin çoğu anten dizilerine, yeni frekans gruplarına ve yapay zekaya odaklanırken, en yüksek hızlı veri aktarımına ihtiyaç duyan tüm 6G'nin kalbindeki yükselteçmiş bir bileşendir.

Güç Ampiriklerini Anlamak: Temeller ve Öteki

Bir güç yükselteçi, bir giriş sinyalinin gücünü artıran elektronik bir devredir, tipik olarak bir radyo frekansı (RF) veya mikrodalga dalgaformu, kablosuz iletişim sistemleri aracılığıyla aktarma için yeterli düzeydedir. PA genellikle antenden önce son aktif bir aşamadır ve bu nedenle mod zarfını korumada gerekli olan gücü sağlamaktan sorumludur. herhangi bir PA'nun değeri, çıktı gücü, verimlilik, lineerlik, bant genişliği ve termal istikrar için.

Geleneksel PA'lar 4G'de ve 5G sistemlerinde kullanılan geleneksel PA'lar, daha sonra tam olarak metal-oksit-semiktör (LDMOS) transistör veya galyum arsenide (GaAs) pHEMTs, alt-6 GHz bandında çalışacaklardır (24- GHz), galonyum nitrit (GaN) silikon veya silikon substratları ile ilgili olarak iki boyutlu basınç yoğunluğuna ve güç yoğunluğuna bağlı olarak daha fazla.

6G'deki PA'nun rolünü takdir etmek için, bir verici zincirin temel çalışmasını anlamalı.The baseband işlemcisi bir modlu sinyal üretir, bu da taşıyıcı frekansına bir karıştırıcı tarafından karşılanır, sonra bir sürücü yükseltici tarafından önceden güçlendirilmelidir ve sonunda antene ulaşmadan önce güçlendiricisi ile güçlendirilmelidir. PA, yol kaybı ve müdahaleyi aşmak için yeterli güç sağlamalıdır.

6G Systems'teki Güç Amplifierlerinin Eleştirel Rolü

6G, 1 Tbps veya daha fazla zirve veri oranını sunmayı hedefliyor, bu oranları desteklemek için yaklaşık 50 kez. Bu tür bir aktarım muazzam bantlara bağlıdır - yaklaşık 100 GHz'den 3 THz'e kadar, bu frekanslarda, 6 GHz'nin altında bir atmosfer çok sıkışık ve dar.

6G'de, PA aynı anda dört anahtar işlevi yerine getirmelidir:

  • [[FONT:0)Signal Güçlendirme: [Dönetici: [Dönetici: 0,8 $ + 10 to +23 dBm kullanıcı ekipmanı için, +30 dBm veya daha fazla temel istasyonlar için), onlarca metre boyunca, yoğun kentsel veya kapalı ortamlarda iletişim bağlantısı kurmak için, yüksek yol kaybı ile.
  • [FONTD:0]Frequency Use:[Dönetici:[Dönetici: 0,0)|Düzücük frekansları (f max) alt-THz grupları için, PA, taşıyıcı frekansının çok üzerinde iyi bir kombinasyon frekansına sahip olmalıdır.Mevcut GaN teknolojilerinin yaklaşık 400-500 $, daha yüksek terahertz frekanslarında faydalarını sınırlandırır.
  • [FONT:0]Efficiency:[DDDDDDDDDDDD][XI][/FONT=0) Orta frekanslarda % 20-40 oranındaki düşük operasyonel maliyetler, bu parasitik kayıpların frekansla artmasına meydan okumalıdır.
  • [FONT=0)Linearity: [Dönetici:[Dönetici: [Dönergelik: [Dönderlik: [Dönderlik: [Dönderlik: [Dönderlik:[Dönetici: 0,4;))Yüksek çözünürlükte, dinamik aralıkta yüksek doğrusallığı korumak zorunda kalır. Dijital predistorasyon yardımcı olabilir, ancak PA'nın doğrusal olmayan lineerliği sınırlı bir faktör kalır.

Data Rate ve Signal Quality üzerinde etkisi

Kablosuz bir bağlantıdaki veri oranı doğrudan bant genişliğine ve spektral verimliliğinin hesaplanmasında, hata vektörü büyüklüğüne bağlı olarak, alıcının daha sağlam bir kodlama veya ARQ retransmisyonları uygulamasına izin veriyor - her iki önemli MIMO-noise oranına göre, yüksek çözünürlükte veya fazlanan sistemlerde, birçok PA'nun paralel olarak çalıştığını ve aynı zamanda kombine edilmiş performansın (Eotropicvision) ve en yüksek çözünürlükte etkili bir şekilde azaltılmasını sağlar.

Teknolojik Meydanlar: Heat, Linearity ve Terahertz Fizik

6G için güç yükselteçleri, mevcut yarı iletken teknoloji ile neyin mümkün olduğunu engelleyen temel fiziksel ve mühendislik engelleriyle karşı karşıyadır.

Heat Dissipation at Extreme Frequencies

Operasyonel frekanslar alt-terahertz aralığına girerken, transistör özelliklerinin boyutları on nanometreye kadar küçültülüyor. Cihazın aktif alanı son derece küçük, yüksek ısı konsantrasyonuna yol açıyor. GaN HEMTs için, termal iletkenlik çok daha düşük (yaklaşık 68 W /m·K) ile bile, ısı kesicisi ısınıyor ve mikrobiyöneticileri artırmak için.ForP HBTs için, bu tür frekanslar için umut verici.

Linearity vs. Verimliliği Trade-offs

Klasik ticaret, doğrusallık ve verimlilik arasındaki ayrım, 4G/5G'de yaygın olarak kullanılan düşük kazanç nedeniyle, alt düzlemde gerekli olan faz geçişinden ve alt-THz frekanslarında gerekli olan dönüşümden dolayı daha da belirgin hale gelmektedir.

Parasitic Kayıplar ve Interconnect Challenges

100 GHz'in üzerindeki frekanslarda, birkaç mikron bile bağlantı metalinin önemli girişli tepkiyi tanıtabilir, kapasitif darbe ve iletim hattı kayıpları. Kaliteli faktör (Q) on-çizli girişli tasarımları başarısız olurken; dağıtılan ısıtlama ağlarını azaltın. PA'nun çıkışı eşleştirme ağı, transistörlerin (yalnızca birkaç ohms) düşük verimsiz bir şekilde birleştirilmelidir.

Yarı iletken malzemeler ve Device Architectures in Innovations in lips Materials and Device Architectures

Mevcut teknolojilerin, araştırmacılar ve endüstri liderlerinin sınırlamalarının üstesinden gelmek için, malzeme sisteminin seçimi büyük ölçüde bir PA'nun frekansı, gücünü ve verimliliğini sınırlar belirler.

Gallium Nide (GaN) ve Gallium Oksit (Ga2O3)

GaN teknolojisi, f max'ın 400 GHz'in raporlarını, 20 nm'nin altındaki kapı uzunluğuyla genişletiyor.6G spektrumunun düşük sonu için (100-200 GHz), GaN-on-SiC PA'lar, başlangıçta PAE'nun 30'un üzerinde yüksek performanslı gerileme gücü için incelenebilir.

Indium Phosphide (InP) HBTs

InP HBT teknolojisi şu anda transistör hızı için rekor tutuyor, f t ve f max 1.5 THz gibi bulundu (USA) ve Fraunhofer IAF (Almanya) ve Fraunhofer IAF (çok fazla birim) 200 nm'ye kadar hızlar kullanarak bir araya gelmeleri gerektiğini gösteriyor, bu cihazlar düşük gerilimden (yaklaşık 3-4 V) muzdariptir.

Silikon-Almanyum (SiGe) BiCMOS

SiGe BiCMOS teknolojisi, SiGe HBT'leri geleneksel CMOS mantığıyla birleştirir, tek bir ölmeyle birlikte maliyetle etkili bir yol sunar. SiGe HBTs son nesilde 500 GHz'nin ötesinde, 100-200'den daha düşükken, tek bir ölümle entegre edilebilir ve SiGe’nin doğrusal olmayan sistemlerle birlikte doğrulanabilir.

Gelişen Malzemeler: Graphene ve 2D yarı iletkenler

Grafikte, molybdenum disulfide (MoS2) ve siyah phosphorus yüksek frekanslı elektronikler için son derece ilgi gösterdi. Graphene alan- etkiler, taşıyıcı hareketliliği 10.5 cm2/V·s, bu da düşük parasitik dirençle gerekli olan güç seviyelerinin kısası olabilir.

6G için PA Mimarilerinde Yenilikler

Malzemelerin ötesinde, yeni devre topolojiler mevcut transistörlerden maksimum performansı çıkarmak için gereklidir.

Alt-THz'de Doherty Power Amplifiers at Sub-THz

Bir taşıyıcı yükselteçini kullanan Doherty mimarisi ve ağ yeniden yüklemede verimlilik artırmak için zirve yükselticisi kullanan, 4G ve 5G makrocell baz istasyonlarında bir temeldir.Bu sayede alt-THz frekansları, kanıtlanmış bir devre hattının (tambda/4 iletim hattı) ve bağlantı hattının tasarımını gerektirir ve standart bir silikon sürecinde çeyrek dalga hattının %64'ü son derece kısadır (~300 μm), ancak kaybı verimliliğin faydasını artırabilir.

İronik Transistor Amplifiers

InP HBTs için, gerilim kısıtlamaları gerilim salımı limiti. serideki birden çok transistör takarak (örneğin bir kaset gibi) etkili çıktı gerilimi hızlandırabilir, böylece güç geliştirmektir.The Challenge is that the parasitic cleance of theparazitic cleancer that reduce the signal at the top transistör. Careful revision and theseting indüktör.The North, San Diego has been kanıtlandı InP PAs with over 370 at 370.

Dağıtılmış ve Seyahat Edicileri

Dağıtılmış yükselteçler (DAs) bir iletim hattı boyunca birden çok aşama birleştirir, geniş bant işlemine izin verir. alt-THz frekanslarında, sahne başına kullanım düşük, bu yüzden birçok aşamaya ihtiyaç vardır, yüksek DC güç tüketimine yol açar; ancak, ultra-tüm iletim hatları için (örneğin, 100 GHz'den 200 GHz'ye kadar), DA'ya daha az çekici hale getirmek için.

Sistem-Level Performansı Üzerine Etkisi: Kirlenme ve MIMO

6G'de, büyük MIMO ve kirişleme alt-gezegen frekanslarında konuşlandırılacak. Her bir anten elemanı kendi PA, düşük çözünürlükli yükseltici, faz değiştiricisi ve muhtemelen yukarı / baskı dönüştürücüler ile bir araya gelir. PA'nun gücü tüketimi toplam kontrol ve faz geçişini ele alırsa bile, her PA'nun sadece 50 mW'si tek başına 51.2 W'dir, bu da bir termal yönetim meydan okuması ile birleştirilmelidir.

Dijital predistortion (DPD) element başına uygulanabilir, ancak hesaplama yük ölçekleri, PA'nun toplam sinyalinin daha düşük olması nedeniyle, PA'nın sıcaklık, süreç ve frekansın tamamında hala tutarlı performans sağlamalıdır.

Future Outlook: Ticari 6G PA'lara Yol

İlk ticari 6G ağı 2030 civarında bekleniyor. Interim'de birkaç kilometreye varılmalıdır:

  • [FONT=0)Device Teknoloji Roadmaps: [DDDDDGİ 1: 1] Foundries (TSMC, GlobalFoundries, Intel, vs.) SiGe BiCMOS düğümleri 700 GHz'nin ötesinde, InP HBT süreçleri, D-on-SiC prosesleri D-banda genişletilmelidir.
  • [FONT:0) İleri Ambalaj: [DDDÜT:1], SiGe BiCMOS kontrol çipleri ile Heterojen entegrasyon, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte cihazlarla bir araya getirmek için gerekli olacaktır. 3D yığınlama ve aralar arasındaki bağlantı kayıpları azaltacaktır.
  • [FONT:0] yenilikleri ele almak: [Dönemli ısı mikrofluidik kanalları kullanarak veya çipli termoelektrik soğutucuları, mevcut 5G PA'ların üzerindeki ısı fluxlarını ele almak için PA substratına entegre edilecektir.
  • [FONT=0]AI-Assisted Design: Makine öğrenme algoritmaları, PA topoloji, düzeni ve önyargı koşullarını optimize etmek için kullanılır ve tasarım döngüsü süresini azaltır ve non-intuk olmayan geometrilerin keşfine izin verir.

6G potansiyeli -holografik iletişim, dijital ikizler, kablosuz biliş ve yüksek çözünürlüklü algılama - mevcut teknolojinin elde edemeyeceği hızlarda veri aktarma yeteneği üzerinde dur. Power amplifikatörler, AB'nin Hexa-X ve termal yönetimi gibi büyük programlar üzerinde işbirliği yapıyorlar, gelecek birkaç yıl, test edilen çiplerin endüstriden entegre edilmesi için yeni bir çaba sarf edecek.

Sonuç olarak, önümüzdeki on yılın en önemli teknik hikâyelerinden biri, 6G standartlaştırmanın yaklaşık 2028 civarında olması, fiziksel katmanlı özellikler aynı anda yüksek güç, geniş bant, lineer ve verimli olan PA'lara talep edecek.

[0] Bu makale aşağıdaki yazar kaynaklarına referans ile üretildi: ).

  1. [FONT=0)Fraunhofer IAF - Terahertz İletişimi 6G).
  2. [0]Imec - SiGe BiCMOS for Terahertz Communications)
  3. [0]Doğa - Terahertz Electronics için Graphene ().
  4. [0]2023 IEEE bileşik yarı iletkenlikli Tümleşik Devre Sempozyumu (CSICS) – InP PA Highlights).
  5. [0]3GPP - 6G ve Ötesi).