Özerk Araç İletişim Sistemleri için Rflifier Design for A Özerk Araç İletişim Sistemleri

Özerk Araç İletişiminde RF amplifiğe Giriş

Özerk araçlar (AVs), sensörler, altyapı ve diğer araçlardan gelen verilerin sürekli, güvenilir bir akışına bağlıdır. Bu veriler, gerekli mesafeyi aşan yüksek sadakatle çalışmalıdır.Institatif spektrum ve sert çevresel koşullar altında, her tür iletişim sisteminin kalbindeki bağlantılar, RF güçlendirici (PA) ve gerekli mesafeyi artırmak için sıkı bir şekilde sınırlandırılmalıdır.In applications, bu yükselteçmiş elektronik devrelerin tasarımı sadece maxing çıktı.

Borçlar yüksek. Tek bir paketin sinyal veya yolsuzluklarının bir an kaybı, yanlış yerelleşmeye yol açabilir, eksik engel tespitleri veya kooperatif manevralarında başarısızlıklar. Otomotiv endüstrisi 4 ve Seviye 5 özerkliğe doğru hareket ettiğinde, RF cephesi yüzde 100'e yakın olmalıdır - yükseltici tasarımın tüketici kablosuz standartlarının ötesinde bir özelliktir.Bu makale, tasarım ilkelerine, zorluklara ve kooperatif manevra sistemlerinde kullanılan RF yükselteçleri için ortaya çıkmaktadır.

Vehüler Ağlar için RF Amplifier Tasarımının Temelleri

Bir RF amplif kullanımı için bir RF amplifikatörü, yüksek seviyeli iletişim (DSRC) 5.9 GHz'de hücresel V2X bandlarına (örneğin, 3.5 GHz, 5G NR FR1) ve hatta yüksek hacimli algılama için milimetreler anlamalıdır.

Kazanma ve Dinamik Aralığı

Küçük imzalı bir yükselteçin kazanılması, zayıf bir sinyalin işlemeden önce nasıl etkili bir şekilde artırıldığını belirler, ancak büyük imzalı kazanç (gödül edilen kazanç) maksimum aktarma gücü tanımlar. AV sistemleri, dinamik aralık gereksinimi aşırıdır: yükseltici, yakındaki vericilerden gelen güçlü sinyalleri aturating olmadan ele almak gerekir, ancak uzak araçlardan veya yol kenarındaki sinyalleri hala çok fazla yükselterek ağların kullanımını gerektirir.Bu, otomatik kazanç kontrol (AGC) döngüsüne karşı çeşitli aşamaları sağlar.

Linearity and Error Vector Magnitude (EVM)

64-QAM ve OFDM gibi modern V2X modulation, doğrusal olmayan bir bozulmaya karşı son derece hassastır. PA'daki herhangi bir sıkıştırma veya faz bozulması, yüksek drenaj verimliliğine yayarken, hata boyutunu (EVM) gelişmiş doğrusallaştırma teknikleri gerektirir.For AV güvenlik-kritik bağlantılar, üçüncü zarf takip noktası (IP3) en az 10 dB'yi en üst düzeye çıkarma gücünden uzak tutmalıdır.

Band Wide ve İşletim Frekans Aralığı

Özerk araçlar aynı anda birden fazla iletişim protokolü desteklemeyi bekliyor: 5G NR V2X, IEEE 802.11p (DSRC), hücresel C-V2X (LTE-V), ve potansiyel olarak uzaktan teleoperatifler için uydu bağlantıları tasarlıyor. Bu çok bant gereksinimi, bu kadar geniş bir bant genişliğine kadar 1 GHz'den 6 GHz'ye kadar bir frekans aralığı örtbas etmek için PA'yi - ve muhtemelen 28 GHz ve 39 mmWave bandına kadar-öndergi bağlantıları tasarlıyor.

Güç Verimliliği ve Termal Bütçe

Bir araçta, RF amplifikatörü tarafından tüketilen DC gücünün her bir wattı, verimlilik artışının ısıtılması veya bataryadan çekilmesi gerektiği gibi bir wattdır. 23 dBm (200 mW) ısı geçişi için% 60'ı (W) ısıtın üzerindeki ısıtılması için, ısıtılmış ısıtılması gereken birkaç puanını azaltır.

Tasarım Challenges specific to A Özerk Araç Ortamlarına Özel

Otomotiv ortamları mekanik, termal ve elektromanyetik stresler bu birkaç diğer uygulama ile eşleşebilir. AV için bir RF amplifikatörün on binlerce saatlik işlem titreşim altında, sıcaklık gezileri -40C'dan +125°C'ye kadar, nem ve tuz spreyi - tüm fabrika-fresh performansını korurken.

Sıcaklık ve Bias Stability

Bir transistörün kazanım ve çıkış gücü güçlü bir sıcaklık bağımlısıdır. PA ısıları dikkatli bir şekilde yönetilmezse, taşıyıcı hareket ağlarında hareketlilik azalır - genellikle transkondüktör veya diyot temelli bir algılama devresini kullanarak, GaN HEMTs, sürekli olarak, mevcut bir yük devresinin kapısını ayarlamak için negatif bir sıcaklık katını gösterir. ek olarak, PA'nun hava akışında yer alması gerekir.

Titreşim ve Mikrofonik Etkileri

Vehüler titreşim mekanik olarak basılı devre kurulu (PCB) izler ve bileşenleri, eşleşen ağların dürtülerini değiştirebilir ve bu mikrofonik etkilerde artış sağlar. Ayrıca, PA modülünün birkaç mikrometresi sabit bir devreye yakın olmalıdır.

Elektromanyetik Interference (EMI) ve Coexistence

AV'nun elektronik kontrol birimleri (ECUs), elektrikli motor sürücüleri ve DC-DC dönüştürücüler, geniş bant gürültüsünü yaymalıdır. PA, yüksek güç RF izlerini önlemek için yüksek bantlı bir şekilde tasarlanmıştır - örneğin, GPS L1 alıcısı (1.575) araçta hassas yerelleştirme için birçok filtreyi kullanmak zorundadır.

Geniş bant Signal Allen ve Pulse Operasyon

Zaman zaman modelleme (TD) rahat görev döngüleri ile kullanım kolaylığının aksine, birçok V2X protokolü neredeyse sürekli iletim veya resepsiyon gerektirir - özellikle de sensör füzyon ve kooperatif algılaması. Tipik bir senaryo, sürekli bir akış (CW) ve pulz performansın optimize edilmesi gereken bir araç birimi, gelen mesajlar için sürekli olarak tekrarlanan ısı geçişi sırasında tekrarlanan ısınmış ısınmış ısınmış bir şekilde, yüksek iletkenlik için yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte bulunan ısınmalıdır.

Anahtar zim seçimi ve teknoloji seçimi

Aktif cihaz teknolojisinin seçimi, PA tasarımının AV sistemleri için en önemli kararıdır. lider yarışmacılar GaAs (gallium arsenide), GaN ve SiGe ( ⁇ Germanyium), her biri ayrı ticaret-offs ile.

Gallium Nide (GaN) – The Emerging Standard

GaN-on-Si HEMTs hızla otomotivde çekiş kazandı çünkü yüksek bir gerilim, yüksek güç yoğunluğu ve geniş bant genişliğine karşı mükemmel verimlilik sunuyor. Yaklaşık 3 MV / cm ( silikon için 0.3 MV / cm) yüksek elektron, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte 5XT'ye kadar yükleyici hızlar taşıyabilirler.

Silikon Almanium (SiGe) BiCMOS Entegre Çözümleri

Daha düşük güç vericileri için (örneğin, DSRC 10 dBm çıkışında), SiGe, PA, LNA, karıştırıcılar ve kontrol mantığını tek bir ölü için, SiGe BiCMOS, yönetim kurulu alanını ve bileşeni azaltır. Teknoloji, 6 GHz'ye kadar, SiGe’ye entegre olmayan modüller için SiGesuit limitlerini kullanır.

Termal Yönetim Malzemeleri

Ölmenin ötesinde, paket ve PCB malzemeleri kritik bir rol oynar. Alüminyum nitrit (AlN) substratlar PA'dan metalik bir şapelye kadar ısınır (CTE) ve GaN'nin çok yönlü uyumu, yüksek frekanslı laminatlar için [Döneticiler için, çok katmanlı tahtalar ve bakır paralı levhalar, PAFLT’nin kullanımı için ısıyı korumak için kullanılır.

Tasarım metodolojisi ve Simülasyon Akışı

Kapsamlı bir simülasyon ve karakterizasyon akışı zaman-pazarı azaltmak ve pahalı yeniden-spinlerden kaçınmak için gereklidir. AV RF PA için tipik tasarım süreci bu adımları takip eder:

  1. [FONT:0) Sistem Bütçe Analizi:[Dönetici:[Dönetici: 0 3) Define gerekli çıktı gücü, kazan, EVM ve ACPR V2X standart ve bağlantı bütçesine dayanarak. MATLAB veya Keysight SystemVue gibi araçları kullanarak, kalibre zincirini modellemek için kullanın.
  2. [FONT=0)Transistor Selection ve Load-Pull Simülasyonu: [Dönetici hedefleri karşılamak için kullanılan bir cihaz (örneğin, GaN HEMT'nin, bulunan bir kütüphaneden) yük-pull simülasyonlarını gerçekleştirmek için farklı olduğunu gösterir.
  3. [[Düzücü Ağ Tasarımı: [Dönetici: 0: 3) Tasarım girişi ve dağıtım ağlarını ya topaklanmış elementler (altın için) veya dağıtılmış elementler (örneğin mmWave için) kullanın EM simülatörüler (örneğin, DNTD[D][FONT)
  4. [FONT:0)Stability Analysis:[[Dönetici:[Dönetici:0) Tüm frekanslarda (iş grubunun altında) Rollett stabilite faktörü testleri gerçekleştirir (prodüktör grubu dahil) Düşük frekanslı salınımları önlemek için gerekli olan bazı geri bildirim ağları ekleyin - PA başarısızlığının ortak bir nedeni.
  5. [FONT:0]Layout ve EM Co-Simulation:[DDÜT:1) önyargı hatları ve şarj cihazı dahil olmak üzere PA'nın tam 3D düzeni oluşturun. S-parametreleri çıkarmak için bir EM simülasyonunu çalıştırın, o zaman doğrusal olmayan modeller ile uyumsuz performans ve yük hassasiyetle.
  6. [FONT:0) ⁇ Simülasyon:[Dönemli element analizi (FEA) en kötü durumdaki ısıtılması koşulları altında, eğri sıcaklığı 150 °C'nin altında tutmanın yolları.
  7. [FONT:0)Prototype ve ölçüm:[Dönetici: [Dönetici:0)) Bir test makinesinde bir prototipi, son PCB'ye aynı şekilde yapılır.Küçük imzalı S-parametreler, güç süpürücü, EVM/ACPR ve termal görüntüleme.

Pratik Uygulama Örnek: A 5.9 GHz DSRC / C-V2X PA

Tasarım prensiplerini göstermek için, tek aşamalı bir GaN PA'yı hem DSRC hem de C-V2X (LTE-V) modları için 5.9 GHz'da çalıştırın. Hedef parametreleri şunlardır: 10 W GaN-on-Si HEMT:0.

[FONT:0)Load-Pull Sonuçlar: En iyi% 58'lik PAE için% 58'lik bir kullanım için kullanılan Z).L) = 25 + j12 ULL (gölücüyeme paketine teslim edilir) Cihazın kullanılması, bir kardansörden çıkarma ve cihazı şarj cihazı kullanan bir şarj cihazı kullanarak.

[FONT:0)Stability:[Dönetici:[Dönetici: 0 3) Bir RC serisi ağı (10 ULL + 22 pF) düşük frekanslıları bastırmak için kapıdan yerleştirilir 2 GHz. Simülasyon bir Rollett faktörü onaylar; DC'den 20 GHz'ye kadar 1 tane.

[FONT:0)Performance:[Dönetici:[D)[D)[D)[0)[0)[16 dBm, bir kazanç elde etmek için üçüncü harmonik, %35 dBc tarafından bir post-PA stub filtreye ulaşır. EVM 6 dB'de (P) = 21 dBm) % 2.5 oranında, % 3% 64-QAM OFDM için hedeftir.

Bu PA modülü, V2X transceiver'ye entegre edildiğinde, en fazla şehir ve otoyol kooperatif farkındalığı için 500 m'den fazla iletişim yelpazesini destekleyebilir.

Gelişmiş Konular: Dijital Pre-Distortion ve En Geliştirme

Lineerliği korumak için daha fazla verimlilik artırmak için, birçok modern AV PA tasarımları dijital pre-distortion (DPD) veya zarf takip (ET) DPD, PA'nın doğrusal olmayan ve önceden belirlenmiş DPD uygulamalarının gerçek zamanlı doğasını sağlayarak çalışır.

En Geliştirme izleme, ayarlanmış sinyalin zarfını takip etmek için gerçek zamanlı olarak drenaj tedarik gerilimi ayarlamayı ayarlar. PA'yı her zaman kompresyonda çalışan PA'yı korumak için 10-20 puan sabit önyargıya kıyasla en son gelişmeler.The Challenge is the need for a wideband, high-ability DC-DC dönüştürücüs that can track zarf genişliği 40 MHz or more - a hard requirements in the car gerilim environment (12 V or 48 V otobüs)

Future Trends: mmWave ve AI-Optimized Amplifiers

Bir sonraki otonom araç üretimi, yüksek çözünürlüklü harita güncelleştirmeleri, sensör paylaşımı ve teleoperatifleri için veri oranları talep edecek. Bu, işletim frekansının milimetre dalga gruplarına (örneğin, 28 GHz, 39 GHz, 60 GHz) geçiş yapar.

BeamInfo dizileri gerekli bağlantı bütçesini elde etmek için gerekli olacaktır. 64-element aşamasındaki her anten elemanı, özel bir PA gerektirir, ancak toplam DC gücü makul bir bütçe içinde kalmalıdır.Bu, CMOS PA'ta yığınlanmış transistörleri kullanarak, yüksek PAE'de mmWave'de yüksek bir PAE'de, 8×8 serisine ilgi gösterdi.

Yapay zeka da tasarım akışına giriyor. Neural ağları, standart sıcaklık ve önyargı koşulları altında PA davranışını tahmin etmek için eğitilmiş olabilir, uygun olmayan önyargılı ve DPD'ye sahip olmak için manuel kalibrasyon olmadan optimum performans sağlar.Ayrıca AI-güdümlü yük-pull optim, EM simülasyonu için binlerce dürtüyü keşfedebilir, en iyi ticaret-off için aramayı hızlandırabilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

RF amplifikatörlerini otonom araç iletişim sistemleri için tasarlayın, gerçek dünya streslerini harmanlayan çok disiplinli bir zorluktır. Dijital predistorasyon, sinyal işleme ve kiriş bilgisi gibi başarılı bir PA, yüksek güç ve verimlilik için GaN'ye izin verecek, yüksek bant genişliğine sahip olan bağlantılar için SiGe'ye izin verecek. Endüstri, tamamen kendini yöneten filolara doğru hızlanan, güvenli bir şekilde filosuna doğru giden teknolojilere doğru hız verecek.