Millised tegurid mõjutavad RF võimsusvõimendi tööd?

Gaan, tõhusus ja põhiline PAE kompromiss

Kuidas transistori polariseerimine ja seadme valik mõjutavad gaani–tõhususe tasakaalu

Tranzistorite eelpingutamise viis määrab tegelikult selle, kuidas RF-võimsusvõimendid tasakaalustavad võida ja tõhusust. Alustame klassi A töörežiimiga, mis tagab väga hea lineaarsuse ja rahulikku võida umbes 10–20 dB vahemikus. Siin on aga üks külg: sellised võimendid töötavad ainult 20–30% tõhususel, kuna nad juhtivad pidevalt. Kui insenerid liiguvad klassi AB või B konfiguratsioonide poole, vähendavad nad seda vaikseisukirrenti ning tõstavad tõhusust 50–70% vahemikku. See kaasab siiski mõningaid puudusi: nii lineaarsus kui ka võit langevad veidi. Seejärel jõuame klassi C juurde, kus tõhusus tõuseb üle 60%, kuid ausalt öeldes ei sobi see tänapäevaste vajadustega piisavalt hästi. Võida ja lineaarsuse vaheliste kompromisside tõttu ei sobi klass C tänapäevastele rakendustele, näiteks 5G uuele raadiosüsteemile, millel on vaja palju paremaid toimimisomadusi.

Seadme tehnoloogia valik mõjutab tõepoolest oluliselt seda tasakaalu jõudluse ja praktilisuse vahel. Võtke näiteks galliumnitraadi (GaN) transistorid – need ületavad traditsioonilist LDMOS-tehnoloogiat sagedustel üle 3 GHz. See juhtub seetõttu, et GaN pakub paremat tõhusust ja mahutab rohkem võimsust väiksemasse ruumi. Miks? Elektronid liiguvad GaN-materjalides kiiremini ja see suudab taluda kõrgemaid pingeid enne läbimurret. Kuid siin on ka üks nüanss – GaN ei käsitle soojusjuhtivust nii hästi kui teised materjalid, mistõttu peavad insenerid pöörama erilist tähelepanu nende komponentide jahutamisele. Praktilistes rakendustes kasutavad enamik kõrgvõimsaid mobiilside baasjaamu praegu GaN-transistoreid nii nimetatud AB-klassi konfiguratsioonides. Need süsteemid saavutavad tavaliselt umbes 60% võimsusvõimendi tõhususe ja umbes 30 dB signaali võimenduse. Samas hoiavad eelarvepiirangutega tarbijaelektroniika tootjad tihti kinni parandatud LDMOS-tehnoloogia versioonidest erinevates kompromisslahendustes, kus hind jääb peamiseks mureks.

Võimsuse lisatud tõhusus (PAE) kui oluline RF-võimendusseadme jõudluse mõõde

Võimsuse lisatud tõhusus (PAE) – defineeritakse kui (P _väljas – P _sisse )/P _DC – on kindel mõõde reaalmaailmas toimiva RF-võimendusseadme tõhususe hindamiseks. Erinevalt alalisvoolu- (DC-) kuni raadiosageduseni (RF) tõhususest (Ĭ· _DC ), arvestab PAE võitmist ning seetõttu on see oluline mitmestapilistes süsteemides, kus juhtseadme võimsustarbimine on oluline. Näiteks:

• Võimendusseade (PA) koos Ĭ· _DC = 60 % ja 10 dB võitmisega saavutab vaid 40 % PAE
• Sama Ĭ· _DC 15 dB võitusega saavutatakse 55% PAE

Kõrged PAE-väärtused on tänapäeval peaaegu standardiks 5G makrocelli infrastruktuuris. Kui PAE ületab 50%, väheneb soojuskoormus ja energiakulud umbes 30% võrreldes vanemate süsteemidega. Probleem tekib siis, kui püütakse maksimeerida PAE-d, säilitades samas hea lineaarsusomaduse. Insenerid kasutavad tavaliselt tasakaalustamiseks tehnikaid nagu sõltuvusenviir (envelope tracking) või digitaalne eeldeformatsioon (digital pre-distortion), kuigi need lähenemisviisid keerukustavad süsteemi projekteerimist märkimisväärselt. Kasvav nõudlus parema spektraalse efektiivsuse järele sagedustel üle 6 GHz ja mm-talas piirkonnas teeb PAE-d edasi kõige usaldusväärsemaks meetriks, millega hinnata reaalset võimsuse teisendumist sisendist väljundisse.

Lineaarsus, väljundvõimsus ja spektraalne puhtus reaalsetes töötingimustes

Koormuspulli käitumine: miks Z_lopt optimeerimine on vastuolus laiaribalise sobitusega RF võimsusvõimendite lineaarsuse tagamisel

Kui me optimeerime koormustakistust (Zlopt), saavutame maksimaalse väljundvõimsuse ja tõhususe, kuid ainult selles konkreetses sageduses. Laiasribalised süsteemid, näiteks 5G NR, satuvad siin probleemidesse, kuna selline kitsendatud fookus ei sobi hästi laia ribalaiusega hea lineaarsuse nõudmisele. Koormuspull-andmete analüüs paljastab midagi huvitavat nende takistuste kohta, mis tagavad meile kõrgeima tõhususe. Need põhjustavad tavaliselt naabersagedusliku võimsuse suhte (ACPR) halvenemise umbes 5–8 dB võrra, kui neid kasutatakse mitme kandja või erinevate sagedusribade korral. Miks see juhtub? Laiasribaliste sobitussüsteemide puhul tuleb kaaluda kompromisse mitmete sageduste vahel, samas kui Zlopt on täielikult suunatud ühe konkreetse punkti leidmisele. Selle probleemi tõttu loovutavad insenerid sageli ligikaudu 10–15 protsenti tipp-tõhususest lihtsalt selleks, et vektorvea suurus jääks alla 3% ja rahuldada need ranged ACLR-nõuded mitme kandja kasutamisel.

Parasiitfenomenid, soojuslikud efektid ja paigutusest tingitud RF-võimendite degradatsioon

Tranzistorite parasiitfenomenid, soojuslik takistus ja trükitud juhtmeplaatide (PCB) paigutusvalikud, mis piiravad ribalaiust ja tõhusust

Parasiitne mahtuvus ja induktiivsus muutuvad oluliseks probleemiks üle 2 GHz sagedustel töötavate ahelate puhul. Ühendusjuhtmete induktiivsus ületab sageli 0,5 nanohenryt millimeetri kohta, mis teeb tekkida faasikõrvalekaldumise probleeme ning põhjustab takistuste sobimatust terve plaadi ulatuses. Samal ajal, kui soojuslik takistus pooljuhi ühenduskohast ümbritsevasse keskkonda ületab umbes 15 °C/W süsteemides, mille jahutus ei ole piisav, läheb pooljuhi kristall liiga kuumaks. See soojuskoormus vähendab oluliselt laengukandjate mobiilsust ja võib põhjustada ligikaudu 20% tõhususe kaotuse maksimaalse võimsusväljundi korral. Kõik need probleemid halvenevad veelgi halva trükitud juhtmeplaadi (PCB) paigutuse korral, kus signaaliteed ei ole optimeeritud ja komponendid on paigutatud ilma nende soojusvaheliste mõjude arvessevõtmiseta.

• Pikkade toitejuhtmete või mitteoptimeeritud läbiviikude tõttu suurenevad parasitaarsed reaktantsid, mis suurendavad sisendkaotust
• Piisamatu vasupindade paigutus või valesti asetatud soojuslahutid teevad soojusahelast kitsaskohta – kohalik temperatuur tõuseb 30–50 °C võrra
• Fragmenteerunud maapinnad suurendavad EMI-tundlikkust ja harmoonilist moonutust

Kõrgvõimsustes 5G-võimendites võib selline paigutusest tingitud degradatsioon vähendada väljundvõimsust 3 dB võrra ja halvendada spektraalset taaskasvu. Ennetamiseks on vajalik koostootmine:

Elektromagnetiliste ja soojuslike mudelite proaktiivne koosimulatsioon paigutuse ajal – mitte pärast paigutust tehtav parandus – tagab kindla toimimise kõigis keskkonna- ja kasutustingimustes.

Projekteerimisspetsiifilised väljakutsed: stabiilsus, võnkumised ja lineaarsuse säilitamine

RF-võimsusvõimendite suurepärase jõudluse saavutamine seisneb tegelikult kolme peamise, teineteisega seotud probleemi lahendamises: stabiilsuse tagamine, soovimatute võnkumiste ennetamine ja signaalide lineaarsuse säilitamine seal, kus seda nõutakse. Need tülikad võnkumised tekkivad tavaliselt ebatähelepanekust ette nähtud tagasisideahelates või impedantsi muutustes signaalitee läbi. Sellisel juhul tekib spektris lisakirju, rikutakse FCC ja ETSI nagu organisatsioonide määratud nõudeid ning halvimal juhul võivad komponendid ülekuumeneda ja sulada. Signaalide lineaarsuse säilitamine muutuvate koormuste tingimustes on veel üks suur väljakutse. Selleks on vaja täpselt reguleerida rakendatavat võimsust ning korralikult käsitleda üleharmonikuid, et vähendada signaalide vahelist häirivat mõju. See muutub eriti oluliseks süsteemides, mis töötleb samaaegselt mitut signaali, kus ACLR-nõuete täitmine otsustab, kas kogu süsteem läbib regulatoorsete testide või mitte.

Nende eesmärkide saavutamiseks on vajalikud põhjalikud kontrollid enne disaini loomist. K-teguri ja mu-teguri analüüs aitab tuvastada kohad, kus süsteem võib ebastabiilsaks muutuda, ning aktiivsed koormuse tõmbetesti näitavad probleemkohti erinevates sagedustes, võimsustasemetes ja temperatuurides. Kui ettevõtted jätab need sammud vahele, siis väikesed probleemid, nagu faasimüra või ajutised võnked, võivad laboritest läbi libiseda ja ilmneda hiljem juba väljatöötatud toodete puhul tegelikus kasutuses. See viib kallite parandusteni ja halvale meediakajastusele, mida keegi ei soovi. Tööstusliku kasutusega RF-võimsusvõimendite disainimine tähendab mitmesuguste vastuoluliste nõuete korraga ülevalpidamist. Soojusnihe, tootmisvariatsioonid ja spetsifikatsioonile täpselt mittevastavad komponendid võivad kõik kahjustada tasakaalu, kui neid disainiprotsessis ei arvestata piisavalt.

KKK jaotis

Mis on RF-võimsusvõimendites võitmise ja efektiivsuse suhe?

RF-võimsusvõimendite kasu ja tõhususe vaheline tasakaal sõltub tranzistori eelpingutamisest ja seadme valikust. A-klassi võimendid pakuvad väga head lineaarsust ja kasu, kuid nende tõhusus on madal. AB- ja B-klassi võimendid parandavad tõhusust, kuid mõnevõrra kaotades lineaarsust ja kasu. C-klassi võimendid pakuvad kõrgemat tõhusust, kuid neid ei saa kasutada kaasaegsetes rakendustes, näiteks 5G-süsteemides.

Mis on PAE ja miks on see oluline RF-võimendites?

PAE (Power Added Efficiency ehk lisatud võimsuse tõhusus) on meetrik, mida kasutatakse RF-võimendite tõhususe hindamiseks, arvestades nii kasu kui ka tõhusust. See on oluline selleks, et kindlaks teha, kui hästi muudetakse võimsus sisendist väljundisse, eriti mitmastaadilistes süsteemides.

Kuidas mõjutavad parasitaarsed efektid ja soojuslik takistus RF-võimendite jõudlust?

Parasitaarne mahtuvus ja induktiivsus ning kõrge soojuslik takistus võivad põhjustada faasikõrvalekaldeid, sobimatuid takistusi ja tõhususe langust. Need efektid suurenevad halva PCB-paigutuse tõttu, mis suurendab sisendkaod ja halvendab jõudlust.