Kuidas saavutada RF võimendi ultra-laia ribalaiusega jõudlust?

Probleemide korral laia sageduskatvuse saavutamisel oma RF võimendi¹? Pidevad kompromissid ribalaiuse, võimsuse ja tõhususe vahel võivad olla frustreerivad. Kuid õige disainistrateegia abil saab selle väljakutse lahendada.

Ultra-laia ribalaiusega jõudluse saavutamiseks keskendu arenenud ühendustsüsteemi disainile² kasutades tehnikaid nagu hajutatud võimendid või negatiivne tagasiside. Samuti vali hoolikalt transistore, mille parasitaarkapsa on madal. See kombinatsioon minimeerib takistuse muutlikkust ja säilitab võimenduse tasapinnalisuse³ laias sagedusvahemikus.

Ma mäletan, kuidas mu ülemine kord küsis kõrge tõhususega, tipptasemel lineaarse võimendi kohta. "Pole probleemi," ütlesin ma, "anna mulle kolm päeva." Siis lisas ta, "...ja see peab katma alates DC-st kuni 6 GHz-ni." Ma ütlesin talle, et näeme 13 päeva pärast ja et ütlen mu perekonnale, et ma armastan Smithi diagrammi⁴ kui ma ei naase. See nali toob esile tõsise tõe: laia ribalaiusega disain on uskumatult keeruline. Kuid kui seda jagada osadeks, muutub tee palju selgemaks. Alustame sellest, mida ma usun, et on pool võitlust.

Miks on ühendustsüsteemid laia ribalaiusega disainis suurim takistus?

Kas teie võimendi töötab ideaalselt ühel sagedusel, kuid ebaõnnestub kogu ribalaiuselt? See takistuse sobimatus tapab teie jõudluse ja võimsuse väljundi. Vaatame, kuidas luua õige laia ribalaiusega sobivus.

Ühendustsüsteemid on keerulised, sest standardne LC-võrk on loomult kitsaribaline. Laia ribalaiuse jaoks on vaja mitme sektsiooni sobivust⁵, kergelt laienevaid ülekandeliine või aktiivseid sobivusmeetodeid. Need meetodid kompenseerivad transistori muutuvat takistust sageduse jooksul, tagades stabiilse võimsusülekande.

Põhineb minu 10-aastase kogemuse põhjal, kui sa saad ühendustsüsteemi õigesti paika, oled juba poolel teel edukale disainile. Põhiprobleem on see, et kõik muutub sagedusega, eriti teie aktiivse seadme takistus.

Probleem ühe sagedusega sobivusega

Lihtne LC-sobivusvõrk on kavandatud resonantsima ühel kindlal sagedusel. See muundab ideaalselt seadme takistuse süsteemi takistuseks, tavaliselt 50 oomi, just sellel ühel punktis. Kuid kui liigute sellest sagedusest eemale, laguneb sobivus kiiresti. Komponentide väärtused on valed uutele sagedustele, põhjustades peegeldusi, võimsuskadu ja halba võimenduse tasapinnalisuse³. Sellepärast on teil vaja strateegiat, mis töötab kogu ribalaiuse ulatuses, mitte ainult ühes magusas punktis. Minu parim sõber sellistes olukordades on Smithi diagrammi⁴, mis aitab mul visualiseerida, kuidas takistus liigub sagedusriba jooksul ja planeerida oma rünnakut.

Mitmetasandilised ja kergendatud lahendused

Ribalaiuse edu saavutamiseks peate mõtlema teistmoodi. Selle asemel, et luua üks täiuslik vaste, loote sarja "piisavalt häid" vasteid kogu ribalaiuse ulatuses. See on idee taga mitme sektsiooni sobivust⁵ võrkudest. Iga sektsioon käsitleb osa sagedusribast ning koos pakuvad nad korraliku vaste laia sagedusvahemiku ulatuses. Teine võimas tehnika on kasutades kergendatud edastusliine⁶, kus liini takistus muutub järk-järgult selle pikkuse jooksul. See tagab väga sujuva, laia ribalaiusega ülemineku.

Siin on lihtne tabel nende lähenemisviiside võrdlemiseks:

Kuidas tasakaalustada ribalaiust võimu ja tõhususega?

Kas sa lõpuks said vajaliku ribalaiuse, vaid et näha tõhususe langust ja võimendi ülekuumenemist? See kompromiss tundub võimatu. Kuid neid vastandlikke eesmärke saab tasakaalustada õige võimendi arhitektuuriga.

Nende tasakaalustamine nõuab strateegilist valikut võimendi klassi ja topoloogia osas. Näiteks jaotatud võimendi pakub erakordset ribalaiust, kuid sageli madalama tõhususega. Tehnikad nagu Doherti võimendi⁷ võivad tõhusust parandada, kuid lisavad keerukust ja võivad piirata ribalaiust.

In RF võimendi¹ disainis mõtlen ma alati "raudkolmnurgale": ribalaius, võimsus ja tõhusus. Sa võid valida kaks neist suurepäraseks, kuid kõigi kolme saavutamine on peaaegu võimatu. Rohkem ribalaiust nõudmine tähendab peaaegu alati, et pead ohverdama mõne tõhususe.

Kestmatu kompromiss

Komponendid ja sobitamistehnikad, mis töötavad hästi laia sagedusvahemiku üle, on sageli kaotavamad. Näiteks takistid, mida kasutatakse võimu tasandamiseks, kulutavad energiat soojuseks. Samuti on võimendi klassi valik kriitiline. Klass A võimendi on väga lineaarne ja käitub hästi laia ribalaiusega, kuid selle teoreetiline maksimaalne tõhusus on ainult 50%, ja praktikas on see sageli palju madalam. Kõrge tõhususega režiim nagu Klass F võib saavutada üle 90% tõhususe, kuid see põhineb harmoonilise häälestamise tehnikal, mis on loomult kitsaspektriline tehnika. Püüdes teha Klass F võimendi tööd laia spektri ulatuses, on suur inseneriprobleem. See kompromiss on RF-inseneri fundamentaalne osa.

Õige võimendi topoloogia valimine

Õige arhitektuur aitab teil leida parema tasakaalu. Ekstreemse ribalaiuse jaoks on jaotatud võimendi klassikaline lahendus. See kasutab järjestikuseid transistore, mille parasiitkondensaatorid⁸imenduvad kunstlikesse ülekandeliinidesse. See võimaldab uskumatuid ribalaiusi, mille abil saavutame meie lineaarvõimendites kuni 110 GHz jõudluse. Miinuspooleks on sageli madalam võimsus ja tõhusus. Safari Microwave'i 30-aastane insenerikogemus on keskendunud nende mõistatuste lahendamisele. Meie 3000W küllastunud võimendi, näiteks, pakub nii "Kõrge Võimsus" kui ka "Ultra-Lai Ribalaius" jõudlust, kasutades arenenud GaN-seadmeid⁹ ja patenteeritud vooluringi topoloogiaid, mis ületavad neid klassikalisi kompromisse.

Millist rolli mängib transistor ise laia ribalaiusega võimendamisel?

Teie sobiv võrk on täiuslik ning olete valinud topoloogia, kuid võimendi jääb endiselt ribalaiuse osas alla. Probleem võib olla sügavam. Transistor, mille valite, on iga lairiba disaini kriitiline alus.

Transistor on oluline. Seadmed nagu GaN (Galiumnitriid) või GaAs (Galiumnitriid) HEMTid pakuvad kõrget elektronliikumist ja madalat parasiitkondensaatorid⁸s. Need sisemised omadused võimaldavad neil tõhusalt töötada laiematel sagedusribadel võrreldes vanemate tehnoloogiate nagu LDMOS-ga.

Sa võid omada maailma parimat ahelate disaini, kuid sa ei saa ületada aktiivse seadme füüsilisi piiranguid. Transistori enda omadused määravad lõpliku kiiruse piiri sinu võimendile.

Sisemine vaenlane: Parasiitkapacitans

Igal transistori on sisemised või "parasiitlikud" kapasitansid. Olulisemad neist on värava ja allika kapasitans (Cgs) ning värava ja draini kapasitans (Cgd). Madalatel sagedustel ei ole need suur probleem. Kuid sageduse tõustes väheneb nende takistus. Nad hakkavad käituma nagu väikesed lühised, suunates sinu väärtusliku RF-signaali eemale, kuhu see peab jõudma. See efekt on peamine põhjus, miks transistori võimendus loomulikult langeb kõrgetel sagedustel. Laia ribaga võimendi ehitamiseks pead alustama transistori valikust, millel on kõige madalam võimalik parasiitkondensaatorid⁸s. See annab sulle algusest kõrgema "kiiruse piiri", muutes sobitust võrgust palju lihtsamaks.

Miks GaN ja GaAs võidavad laia ribaga tehnoloogias

Just siin teevad kaasaegsed pooljuhtmaterjalid kogu vahe. Tehnoloogiad nagu Gallium Arsenide (GaAs) ja Gallium Nitraat (GaN) on põhimõtteliselt paremad füüsikalised omadused kõrgsageduslikuks tööks võrreldes vanemate silikoni baasil põhinevate LDMOS-idega. Neil on suurem elektronliikumine, mis võimaldab väiksemaid transistore madalama parasiitlikkusega. Just seetõttu kasutame meie ultra-laia ribaga võimendites ja LNAs, mis ulatuvad 110 GHz-ni, arenenud GaAs ja GaN-seadmeid⁹. Nad on võtmetegur "Ultra-Wideband" jõudluse saavutamisel koos "Madala NF-ga."

GaN, eriti, pakub ka väga kõrge võimsus tihedust¹⁰. See tähendab, et saate väiksemast seadmest rohkem võimsust välja võtta, mis lihtsustab sobitamise väljakutset laia sagedusriba üle.

Järeldus

Ultramastaabse võimendamise saavutamine sõltub sobitamisvõrkude meisterlikkusest, õige võimendi topoloogia valikust ja parima transistoritehnoloogia valikust. Kui need kolm asja õigesti teete, olete teel.