Современная электроника №9/2018

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 72 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2018 Рис. 2. Сравнение стандартного усилителя класса АВ и конструкции Догерти IoT, постоянно передающих не толь- ко голосовые и текстовые данные, но и потоковые видео. Таким образом, ско- рость передачи данных должна состав- лять порядка 10 Гб/с. Пропускная способность сети зави- сит от ряда факторов, включающих доступную полосу, количество кана- лов связи, количество сот и отноше- ние сигнал/шум. Увеличение рабочей полосы за счёт перехода в миллиметро- вую область спектра позволит повы- сить пропускную способность, однако при этом разработчики надеются избе- жать серьёзного увеличения энергопо- требления, что является важным требо- ванием к проектированию УМ для 5G не только на высоких, но и на относи- тельно низких частотах. О СНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УМ Как правило, УМ описывается рядом характеристик, среди которых – коэф- фициент усиления, стабильность уси- ления, уровень выходной мощности, линейность, КПД, входной и выход- ной коэффициенты стоячей волны по напряжению (КСВН) и коэффициент шума. Рабочая полоса конкретного УМ определяется способностью усилителя сохранять значения этих параметров в требуемом диапазоне. Например, коэф- фициент усиления максимален на низ- ких частотах и минимален на высоких, и допустимое отклонение определяет- ся стабильностью усиления: значение ±1 дБ соответствует диапазону стабиль- ности в 2 дБ во всём рабочем диапазо- не усилителя. Выходная мощность является функ- цией входного уровня мощности, коэф- фициента усиления и допустимого уровня компрессии на выходе УМ. Для большинства УМмиллиметрового диа- пазона выходная мощность измеряется и указывается для точки компрессии в 1 дБ (обычно обозначается как P1dB). Добиться большей мощности можно, увеличив уровень входного сигнала, но это сильно уменьшит линейность усилителя, поскольку параметры УМ будут определяться искажениями сиг- нала, например в точке компрессии в 3 дБ. В усилителе с высокой линейно- стью входные сигналы максимально пропорциональны выходным с точки зрения формы сигнала. С появлением цифровых схем модуляции увеличи- лись и значения параметра отноше- ния пиковой мощности к средней для сигналов. Это означает, что УМ заво- дятся в режим компрессии очень глу- боко и только рабочая точка усилителя находится не намного ниже точки ком- прессии. В результате усилители и их модели создаются при всё более высо- ких уровнях компрессии, либо проек- тирование УМ и согласование произ- водится в режиме back-off. Высокая линейность большинства УМ достигается при работе на уров- нях мощности входного сигнала ниже максимального – таким образом УМ не переходит в режим компрессии. С другой стороны, КПД усилителей мак- симален при работе именно в режи- ме компрессии, а именно в точке, где режим работы УМ считается насыщен- ным и его выходная мощность макси- мальна, поскольку дальнейшее увели- чение входного сигнала не приведёт к существенному увеличению выходной мощности. Линейность – это ключевой параметр УМ систем 5-го поколения, т.к. для достижения высокой скорости передачи данных используются слож- ные схемы модуляции. Для корректной работы данных схем необходимы сиг- налы с минимальными искажениями. Линейность усилителей обычно дости- гается в ущерб энергоэффективности. Так, например, в классах А или АВ уси- лители постоянно включены и потре- бляют энергию для того, чтобы избе- жать нелинейных режимов работы. В сетях 5G усилители должны рабо- тать с высоким КПД, чтобы минимизи- ровать потребление энергии базовой станции или микросоты. Аналогично усилители в мобильных устройствах, работающих от батарей, должны рабо- тать в линейном режиме без ущерба значению КПД по добавленной мощ- ности. Для увеличения КПД и линей- ности существуют различные методы. Например, в конструкции усилителя Догерти используются два усилителя различных классов (см. рис. 2). Вход- ной сигнал разделяется на две части и суммируется после усиления на выходе, при этом за счёт различного смещения усилителей и особенностей конструк- ции обеспечивается более эффектив- ное потребление энергии с учётомфор- мы и уровня сигнала. Для увеличения КПД усилителей используются различ- ные методы отслеживания огибающей, позволяющие гибко изменять подачу питания на усилитель с тем, чтобы под- держивать значение выходной мощно- сти на нужном уровне. Для обеспечения высокой линей- ности УМ при сохранении достаточ- ного КПД часто используются методы цифровой коррекции предыскажений. Поскольку усилитель обладает наи- большим КПД в области точки насы- щения, цифровая коррекция позволяет изменять форму модулированных сиг- налов таким образом, чтобы он работал с высоким КПД, но без искажений или повышенной нелинейности. П ОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В производстве усилителей миллиме- трового диапазона используются раз- личные полупроводниковые техно- логии, включая транзисторы на крем- ний-германии (SiGe), арсениде галлия (GaAs), фосфиде индия (InP), нитриде галлия (GaN). Кроме того, применяются устройства на подложках из различных материалов, включая нитрид галлия на кремнии (GaN-on-Si) и нитрид гал- лия на карбиде кремния (GaN-on-SiC), обладающие превосходными тепловы- ми характеристиками для эффективно- го рассеяния. Кремниевые LDMOS-усилители (ме- талл-оксидные полупроводники с по- верхностной диффузией) традицион- но используются в роли высокомощных активных устройств в базовых станци- ях сетей 3G и 4G. Кремниевые УМ со структурой «кремний-на-изоляторе» также способны обеспечить требуемые уровни мощности при конфигурации нескольких транзисторов в многоуров- невую структуру. Полученные выходные мощности порядка 1 Вт на частоте до 28 ГГц с высокой степеньюлинейности усиления свидетельствуют о принципи- альной применимости этих относитель- но недорогих в производстве структур для устройств сетей 5-го поколения. Выбор материала для УМ во многом определяется тем, будет ли этот усили- тель применяться в базовой станции Вход Согласование на входе Согласование на выходе R L R L Вход Входной разветвитель Основной Вспомогательный 90° R L 90° X° X°