×
Aktiivse seadme ühendustemperatuur on peamine põhjus, miks kõrgvõimsused RF-võimendid lähevad katki. Iga 10 °C võrra suurem temperatuur kui määratud maksimaalne vähendab keskmist katkemise aega (MTTF) umbes poole võrra – see on hästi tuntud usaldusväärsusreegel, mis põhineb JEDECi ja tööstuslikel väljaandmetel põhinevatel Arrheniusi kiirendusmudelitel. Pideva RF-koormuse all kiirendab pidev võimsuse рассеяние elektromigratsiooni ja sidumisjuhtmete väsimust. Disainid, mis säilitavad ühendustemperatuuri alla 125 °C, saavutavad tavaliselt tööelu üle 100 000 tunni; need, mis töötavad üle 150 °C, näevad sageli esimese 2000 tunni jooksul katkemiste sageduse kahekordistumist. Seega algab tõhus soojusjuhtimine täpsest soojusmudelist die ja pakendile – kasutades lõplike elementide analüüsi (FEA), et prognoosida halvimate soojanippude teket reaalsete modulatsiooniprofiilide puhul. See võimaldab teha põhjendatud otsuseid võimsuse alakasutamise, soojuse levitamise materjalide ja mehaanilise liidese disaini kohta enne prototüübi valmistamist.
Trükitud juhetahvel (PCB) on peamine soojusjuhtiv tee võimendusmikrokiibilt ümbritsevasse keskkonda. Standardne 1 untsa (35 µm) vaskekihi paksus ei ole piisav kõrgvõimsusega raadiosagedusliku paigalduse jaoks; 2 untsa või 4 untsa vaskekiht vähendab soojuslikku takistust 40–60% ja vähendab oluliselt juhtmete temperatuuri tõusu. Soojusaukude – tavaliselt 0,3–0,5 mm läbimõõduga ja juhtivasse epoksiühendusse täidetud – paigutamine transistori padile otse alla tagab madala takistusega vertikaalse juhtivuse teekonna sisemistele maapindadele. Külmikute integreerimisel peab kinnitamine kasutama soojusjuhtivat liidese materjali (TIM), mis eemaldab õhutühimad ja tagab ühtlase rõhujaotuse. Vaske- või metallkujuliste PCB-de tehnoloogia koos sunnitud õhukülmutusega võimaldab vähendada keha ja ümbritseva keskkonna vahelist soojuslikku takistust alla 1°C/W. Need valikud määravad ühiselt, kas võimendus jääb oma ohutuspiiridesse pinge maksimaalsel võimsusel ja pideval töörežiimil.
Kõrgvõimsusega RF-võimendi projekteerimine eeldab alati tõhususe ja lineaarsuse tasakaalustamist. Väga tõhus toimimine sunnib aktiivset komponenti töötama selle mitte-lineaarses piirkonnas, mis asub kokkusurumispunkti lähedal, põhjustades moduleeritud signaalide moonutumist. Sisendsignaali tagasitõmbamine – st töötamine oluliselt alla 1 dB kokkusurumispunkti – on levinud lahendus, kuid praktikas võib see vähendada alalisvoolu–raadiosagedusliku teisendustõhusust 15–20 protsendipunkti võrra.
Amplifikaatori topoloogia valik sõltub süsteemitasemeliste lineaarsus- ja tõhususnõuetest. AB-klass pakub praktilist kompromissi, saavutades 40–55% tõhususe ning aktsepteeritava moonutuse paljude kitsaribaliste ühenduste puhul. F-klass ja pööratud F-klass suurendavad dreni tõhusust üle 70%, kujundades pinge- ja voolilaineid harmooniliste komponentide surumiseks – kuid nad kaotavad oma sisemise lineaarsuse, kui neid ei täiendata korrigeerimismeetoditega, nagu digitaalne eelmoonutus (DPD). Doherty-arhitektuur, mida laialdaselt kasutatakse mobiilside infrastruktuuris, säilitab kõrge tõhususe laias võimsuse tagasipöördumisvahemikus, ühendades peamise amplifikaatori (mis on polariseeritud AB-klassis) tippamplifikaatoriga, mis aktiveerub ainult kõrgematel väljundtasemetel. See saavutab tavaliselt 50–60% tõhususe 6–8 dB tagasipöördumisel ja vastab naaberkanalite lekke suhtarvu (ACLR) nõuetele – seega on see kaasaegsete 5G kõrgvõimsuste RF-amplifikaatorite de facto standard.
Kõik RF-võimendid teevad teatud määral moonutusi – need ilmnevad harmooniatena, segamistoodetena ja tõusnud soojusmürgana. Harmooniad põhjustuvad seadme mittelineaarsusest ja neid tuleb filtrida, et vastata spektraalsetele emissioonimaske. Kolmandat järku segamine (IM3) on eriti probleemne mitmekanalasüsteemides, nagu OFDM, kus see halvendab signaali terviklikkust ja suurendab bitivigu. Soojusmüra tõuseb ühenduse temperatuuriga, tõstes veelgi müra põhja ja vähendades dünaamilist vahemikku. Laiaspektrilistes kõrgvõimsustes RF-võimendites korrutuvad need efektid, sest sobitusvõrk peab töötama laialdasel sagedusvahemikul ilma resonantside või takistusülekandeta. Kaasaegsed disainid lahendavad seda adaptiivse eelpingutuse ja digitaalse eelmoonutuse (DPD) kombinatsiooni kasutamisega, mis eelnevalt pöörab võimendi mittelineaarse ülekannefunktsiooni. Õigesti kalibreeritud DPD parandab lineaarsust, piirates samas tõhususkaotused viie protsendipunktini.
Kõrgvõimsuste RF-võimendite optimaalse võimsuse ülekande tagamiseks on vajalik täpne laiasribaline takistusväärtuste sobitamine. Takistusväärtuste mittesobivus, millel vastavalt VSWR (seisulaine suhtarv) ületab 1,2:1, põhjustab kuni 12% võimsuse kaotust ja ohtu transistoride kahjustumiseks kõrg-VSWR rikkeolukordades. Kaasaegsed lahendused kasutavad EM-ülesehitatud kohanduvaid võrgustikke, mis sisaldavad ümberkonfigureeritavaid mikrolint-balansi, saavutades üle 97% võimsuse ülekande tõhususe sagedusvahemikus 600 MHz–3,5 GHz. Need võrgustikud toetavad mitme riba tööd ning suruvad samaaegselt välja harmoonilisi komponente sagedusvalikulise negatiivse takistuse kompensatsiooni abil. C-riba massiivsetes MIMO-massiivides on see lähenemisviis vähendanud seisulaine suhtarvu 63%, parandades nii signaali puhtust kui ka soojuslikku stabiilsust kõrgvõimsuste RF-võimendite paigaldustes.
Õige pooljuhttehnoloogia valimine kõrgvõimsusega raadiosagedusliku võimendiga sõltub eesmärgiks olevast sagedusest, väljundvõimsusest, tõhususest ja kulude piirangutest. Gaaninitriidi (GaN) kasutamine silikoonkarbiiidisubstraadil tagab kõrgeima võimsustiheduse ja tõhususe üle 100 W – eriti oluline 5G makro- ja millimeetrlainepikkuse baasjaamades. Silikoon-LDMOS on endiselt kuluefektiivne ja kindel lahendus ala-3 GHz baasjaamade rakendustes, samas kui gaaniumarseeni (GaAs) kasutamine on eriti hea mõõdukavõimsusega, kõrgelineaarsusega millimeetrlainepikkuse disainides. Võimsuse suurendamine üle 1 kW teeb tekkinud soojusprobleemid äärmiselt tõsised: ühenduse temperatuur tõuseb lineaarselt hajutatava võimsusega, mis mõjutab otseselt pikaajalist usaldusväärsust. Kuigi mitme transistori ühendamine Wilkinsoni jagajate või tasakaalustatud arhitektuuride abil suurendab kogu väljundvõimsust, vähendavad kombinaatorite kaod ja ebavõrdne voolujaotumine tõelise võimenduskoefitsiendi ja tõhususe. Äärmiselt kõrgel võimsustasemel (>10 kW) domineerivad siiski reisilainelised toruvõimendid (TWTAs) oma ületamatu soojushalduse tõttu – kuigi tahkekehalised alternatiivid lähenevad kiiresti sellele tasemele. Disainerid peavad samuti arvestama materjalide läbilöögi piiridega: GaN-seadmetes põhjustab drenaaž-väljundi pinge üle 100 V hävituslõhke ohu. Lõppkokkuvõttes peegelduvad skaala piirid füüsilist vastastikust seost võimsustiheduse, soojuslahutuse ja seadme usaldusväärsuse vahel – seega on tehnoloogia valik igas kindlas kõrgvõimsusega raadiosagedusliku võimendi disainis aluslik otsus.
Usaldusväärsusele peamiselt mõjuv tegur on aktiivse seadme ühendustemperatuur. Pidev töö üle määratud temperatuuride põhjustab ebaõnnestumismehhanismide kiirendumist, näiteks elektromigratsiooni ja kontaktjuhtmete väsimust. Pikaajalise usaldusväärsuse tagamiseks on oluline soojusjuhtimine, sealhulgas soojuslahutid ja soojusläbipääsud.
PCB-kujundus mängib olulist rolli soojusjuhtimisel, tagades soojuse lagunemise teed. Sellised tegurid nagu vasaku paksus, soojusläbipääsude paigutus ja soojuslahutite integreerimine tagavad, et võimendaja töötab oma ohutus temperatuurivahemikus.
Kõrge tõhusus põhjustab sageli mitte-lineaarsust, mis teeb signaali moonutatud. Sisendsignaali tagasitõmbumist (input back-off) ning täiustatud topoloogiaid, näiteks Doherty või klass F, kasutatakse tõhususe ja lineaarsuse vahelise tasakaalu saavutamiseks kujundamisel.
Kaasaegsed võimendid kasutavad näiteks digitaalset eelvõltsustust (DPD), et eelnevalt pöörata võimendi mittelineaarne käitumine tagurpidi, parandades seeläbi lineaarsust, samal ajal kui tõhususe kaotus jääb miinimumiks.
Gallaanitriid (GaN), ränipõhised LDMOS-transistorid ja galleenarseen (GaAs) on levinud pooljuhttehnoloogiad, mida valitakse sageduse, võimsuse ja maksumuse nõudmiste põhjal.
