برای اینکه تقویتکنندههای توان RF بهخوبی با سیستمهای جم کار کنند، باید با فرکانسهای عملیاتی مناسب تطبیق داشته باشند تا از هدر رفتن انرژی یا ایجاد تداخلهای ناخواسته جلوگیری شود. بر اساس برخی آزمایشهای میدانی انجامشده در سال 2023، زمانی که تقویتکنندهها محدوده فرکانسی ۱٫۷ تا ۴٫۲ گیگاهرتز را پوشش دادند، به جای اینکه تنها محدودههای باریکی را تحت پوشش قرار دهند، مصرف انرژی حدود ۱۸ درصد کاهش یافت بدون اینکه کیفیت سیگنال آسیبی ببیند (همانطور که در مطالعه شرکت Dewinjammer در سال ۲۰۲۳ گزارش شده است). اما زمانی که تطبیق در این محدودههای فرکانسی وجود نداشته باشد، مشکلاتی رخ میدهد. مناطق حیاتی که ممکن است تهدیدها از آنجا ناشی شوند، کاملاً بدون حفاظت باقی میمانند یا بدتر از آن، سیگنالها به کانالهای مجاور سرریز میکنند که میتواند در عملیاتهای جنگ الکترونیکی واقعی خسارات جدی ایجاد کند.
جیمرهای مدرن باید همزمان سیگنالها را در محدودههای GPS (1.2/1.5 گیگاهرتز)، سلولی (700 مگاهرتز تا 4 گیگاهرتز) و وایفای (2.4/5 گیگاهرتز) اختلال دهند که این امر نیازمند پهنای باندی بیش از 500 مگاهرتز است. تقویتکنندههای قدرت RF پهنباند مبتنی بر فناوری نیمههادی GaN، بهرهای بیش از 50 دسیبل در محدودههایی با پوشش یک اوکتاو فراهم میکنند و امکان جایگزینی یک تقویتکننده واحد به جای چندین واحد باریکباند را بدون افت عملکرد فراهم میآورند.
تقویتکنندههای قابل تنظیم که قادر به تولید خروجی 30 دسیبل میلیوات در محدوده فرکانسی از 800 مگاهرتز تا 4 گیگاهرتز هستند، اکنون بهطور مؤثری توسط پرسنل نظامی برای مقابله با تهدیداتی مانند پهپادهای هدایتشونده با GPS و دستگاههای منفجره ایجاد شده با فناوری 5G استفاده میشوند. وقتی به عملکرد این سیستمها نگاه میکنیم، در نقاط مهم طیف فرکانسی مانند 2.3 گیگاهرتز که سیگنالهای LTE را پوشش میدهد و 3.5 گیگاهرتز که باند 5G n78 در آن کار میکند، VSWR را پایینتر از 2.5:1 حفظ میکنند. این موضوع نشان میدهد که تقویتکنندههای وایدباند، حفاظت بسیار خوبی را در برابر انواع مختلفی از تهدیدات فراهم میکنند بدون اینکه از کیفیت عملکردی خود بکاهند.
برای قطع موفقیتآمیز سیگنالها، تقویتکنندهها باید توان بیشتری نسبت به سیگنال دریافتی از دستگاه هدف تولید کنند. به عنوان مثال، اغلب جامرهای مصرفکننده با پهپادهای تجاری مشکل دارند، مگر اینکه بتوانند حدود ۵۰ وات توان موج پیوسته تولید کنند تا فقط سیگنالهای GPS را مختل کنند. کاربردهای نظامی حتی سختتر هستند و گاهی اوقات به بیش از ۳۰۰ وات نیاز دارند تا ارتباطات دوربرد را غیرفعال کنند. مشکل با افزایش توان خروجی بدتر میشود، زیرا گرما بسیار سریع افزایش مییابد. به همین دلیل است که امروزه بسیاری از متخصصان به تقویتکنندههای مبتنی بر نیترید گالیوم روی میآورند. این تقویتکنندهها گرما را بهتر تحمل میکنند و بدون ایجاد اعوجاج شدید در سیگنالها پایدار میمانند که در عملیاتهای شدید و حساس، جایی که قابلیت اطمینان اهمیت بالایی دارد، بسیار مهم است.
وقتی تقویتکنندهها در حالت غیرخطی کار میکنند، اعوجاجهای هماهنگ و محصولات مدولاسیون متقابل ایجاد میشوند که دقت عمل جمینگ را مختل میکنند. اما اگر این تقویتکنندهها را دقیقاً زیر نقطه فشردگی ۱ دسیبل کار دهیم، اتفاق جالبی رخ میدهد: طبق پژوهشی که IEEE در سال ۲۰۲۴ انجام داده است، رشد طیفی حدود ۶۵ درصد کاهش مییابد. این موضوع زمانی بسیار مهم میشود که با نوارهای فرکانسی همپوشانی مانند آنچه بین شبکههای ۴G و ۵G مشاهده میکنیم، سروکار داشته باشیم. حفظ این شرایط به این معناست که توان جمینگ بهجای اینکه بهطور تصادفی سیگنالهای مشروعی را که در حال عبور هستند تحت پوشش قرار دهد، روی هدف خاصی که باید متوقف شود متمرکز بماند.
به حداکثر رساندن توان خروجی اغلب باعث کاهش بازدهی به میزان 30–40%به دلیل تجمع حرارت میشود. طراحیهای پیشرفته از طریق استفاده از بایاسدهی تطبیقی و پیکربندی دوهرتی این مشکل را کاهش میدهند و به ۸۰٪ بازدهی درین در خروجی 150 وات. این بهبودها دوام عملیاتی را افزایش میدهند، بهویژه در پلتفرمهای سیار که ظرفیت خنکسازی محدود است.
نقطه تقاطع مرتبه سوم (IP3) توانایی یک تقویتکننده در فشار دادن تشوه ترکیبی هنگام پردازش چند سیگنال را اندازهگیری میکند. در محیطهای طیفی شلوغ، تقویتکنندههایی با مقادیر IP3 بیش از 40 دسیبل میلیوات، تداخل بین فرکانسی را به حداقل میرسانند. تحلیلهای صنعتی نشان میدهند که دستگاههایی که دارای IP3 بالاتر از 45 دسیبل میلیوات هستند، رشد طیفی را 30 تا 50 درصد کاهش میدهند و دقت هدفگیری را در سناریوهای چندتهدیدی بهبود میبخشند.
نقطه تقویتکننده ۱ دسیبل، که به عنوان P1dB شناخته میشود، در واقع نقطهای است که در آن بهره تقویتکننده نسبت به حالت خطی خود ۱ دسیبل کاهش مییابد. هنگامی که سیستمها بیش از حد به این آستانه نزدیک میشوند، شروع به ایجاد اعوجاج میکنند که میتواند دقت اختلالافکنی را به شدت تحت تأثیر قرار دهد. اکثر مهندسان میدانند که نباید سیستم را دقیقاً تا این حد حداکثری فشار داد. برای سیگنالهای پالسی، عملکرد مناسب توصیه میکند که حدود ۶ تا ۱۰ دسیبل زیر P1dB عمل کنیم. با این حال، برای سیگنالهای پیچیده مدولهشده مانند OFDM، حاشیه ایمنی باید بزرگتر باشد، حدود ۱۰ تا ۱۵ دسیبل زیر P1dB. این فضای اضافی کمک میکند تا کیفیت سیگنال حتی در شرایط بار متغیری که سیستمهای واقعی روزانه با آن مواجه هستند، حفظ شود.
فضای سری (هدروم) حاشیه بین توان عملیاتی و خروجی حداکثری است و در برابر نوسانات سیگنال محافظت میکند. در سیستمهای جمکننده همراه، حفظ ۳ تا ۵ دسیبل فضای سری از قطع شدن سیگنال در طول انتقالهای ناگهانی جلوگیری کرده و همزمان بازدهی را بهینه میسازد. تقویتکنندههای GaN دارای فضای سری ۲۰٪ گستردهتری نسبت به طراحیهای سنتی LDMOS هستند و مقاومت آنها را در شرایط عملیاتی غیرقابل پیشبینی بهبود میبخشند.
راندن تقویتکنندهها به داخل نقطه اشباع، هارمونیکهای غیرکنترلشده تولید میکند که خطر تداخل در باندهای مجاور را به همراه دارد. حفظ موقعیت ۲ تا ۴ دسیبلی زیر نقطه اشباع، پروفایل بهره پایدار را حفظ میکند که برای مأموریتهای طولانیمدت ضروری است. دادههای میدانی نشان میدهند که رعایت این حاشیه، حوادث خاموشی حرارتی را در عملیات مداوم ضدپهپادی تا ۶۵٪ کاهش میدهد.
تقویتکنندههایی که در نزدیکی اشباع کار میکنند، هارمونیکهایی تولید میکنند که مضرب صحیحی از فرکانس اصلی بوده و میتوانند سیستمهای غیرهدف را مختل کنند. برای سرکوب این هارمونیکها، مهندسان از شبکههای تطبیق امپدانس استفاده میکنند و تقویتکننده را ۶ تا ۱۰ دسیبل زیر حالت فشردگی به کار میبرند. تکنیکهای پیشرفته خطیسازی، انتشار خارج از باند را تا ۱۵ تا ۲۰ دسیبل کاهش میدهند و خروجی طیفی تمیزتری را در پلتفرمهای جامینگ مدرن تضمین میکنند.
افزایش ۲ دسیبلی در شاخص نویز، حساسیت جامر را تا ۳۵٪ کاهش میدهد و ممکن است سیگنالهای تهدید ضعیف از سرکوب خارج شوند. در کاربردهای مقابله با پهپاد که هدف سیگنالهای کمتوان LoRa هستند، تقویتکنندهها باید شاخص نویز کمتر از ۱٫۵ دسیبل را حفظ کنند. پایدارسازی حرارتی، ثبات شاخص نویز در حدود ±۰٫۲ دسیبل را در دامنه دمایی ۴۰- تا ۵۵+ درجه سانتیگراد تضمین میکند و عملکرد سیستم را در محیطهای سخت حفظ میکند.
یک رویکرد سهلایه برای تضمین خلوص سیگنال اعمال میشود:
قطعهبندی صفحه زمین جلوی جریان هارمونیک را میگیرد تا در منابع تغذیه، مدولاسیون نادرست ایجاد نشود؛ این امر بهویژه در نصب جامرهای خودرویی با فضای محدود بسیار حیاتی است.
برای اینکه سیستمهای اختلال موبایل به درستی کار کنند، نیاز به تقویتکنندههای RF دارند که بتوانند همزمان قدرتمند و کوچک باشند و در عین حال کارآمد باقی بمانند. اکثر مهندسان هنگام طراحی این سیستمها درباره چیزی به نام SWaP-C صحبت میکنند. این مخفف عبارت اندازه، وزن، توان و هزینه است. در واقع هر جزئیات کوچک مهم است، زیرا افزودن حتی فضای کمی بیشتر یا مصرف توان اضافی میتواند تعیینکننده باشد که آیا سیستم در شرایط واقعی به کار گرفته میشود یا خیر. بر اساس گزارش اخیر پژوهشگران دفاعی در سال ۲۰۲۳، تقریباً دو سوم خرابیهای جمکنندهها به دلیل گرمای بیش از حد یا تخلیه سریع انرژی در مقایسه با مشخصات SWaP آنها رخ میدهد. این موضوع نشان میدهد که مدیریت مناسب حرارتی در این سیستمهای فشرده چقدر حیاتی است.
ادغام موثر مستلزم هماهنگی بین تقویتکنندههای RF و سه زیرسیستم اصلی است:
سنسورهای حرارتی تعبیهشده و نظارت فعال، نرخ خرابی را در عملیات با چرخه کاری بالا تا 38٪ کاهش میدهند. استراتژیهای کلیدی شامل:
این روشها تضمین میکنند که تقویتکنندههای توان RF بیش از 5000 ساعت در محیطهای سخت عملیاتی، بیش از 90 درصد اثربخشی اختلالگذاری را حفظ کنند.
تقویتکنندههای قدرت RF باید با فرکانسهای عملیاتی و پهنای باند مطابقت داشته باشند تا بتوانند بهطور کارآمد سیگنالهای هدف را بدون هدر دادن توان یا ایجاد تداخل در مناطق غیرهدف مختل کنند.
تقویتکنندههای قابل تنظیم پوشش فرکانسی گستردهای ارائه میدهند و اجازه میدهند بهطور مؤثر علیه تهدیدات مختلفی مانند پهپادهای مجهز به GPS و دستگاههای مبتنی بر 5G مداخله شود، بدون آنکه عملکرد کاهش یابد.
SWaP (اندازه، وزن، توان و هزینه) در طراحی سیستمهای مختلکننده متحرک حیاتی است و اطمینان حاصل میشود که این سیستمها فشرده، کارآمد و قادر به انجام عملیات مداوم در شرایط میدانی هستند.
مدیریت مناسب حرارتی از داغ شدن بیش از حد جلوگیری کرده و عملکرد پایدار تقویتکنندههای قدرت RF را تضمین میکند، بهویژه در سیستمهای مختلکننده متحرک و فشرده.
