Dieser Artikel befasst sich mit den Anforderungen von 5G, Satellitenkommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigungsanwendungen, einschließlich der verschiedenen Arten von Beamforming-Architekturen und wie GaN-auf-SiC-Leistungsverstärker Kommunikationsherausforderungen in diesen HF-Anwendungen lösen.

Chancen und Herausforderungen von HF-Leistungsverstärkern

Die größten Wachstumschancen und Herausforderungen für HF-Leistungsverstärker liegen in der Satellitenkommunikation sowie in den aufkommenden 5G-Kommunikationslösungen. Die NASA hat es privaten Unternehmen ermöglicht, Tausende von Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn (LEO) zu starten, die nun die Erde umkreisen und Breitband-Internetzugang, Navigation, maritime Überwachung, Fernerkundung und weitere Dienste bereitstellen. Diese Hochfrequenzanwendungen streben systematisch nach Vorteilen hinsichtlich Größe, Gewicht, Leistungsaufnahme und Kosten (SWaP-C). Große Parabolantennen werden in der Satellitenkommunikation durch Phased-Array-Antennen ersetzt, die kleinere und leichtere Komponenten für die Integration erfordern. Hohe HF-Leistung, die linear mit hohem P1dB und IP3 zur Reduzierung von Verzerrungen und effizient mit hohem PAE zur Minimierung des Stromverbrauchs ist, ist für diese HF-Anwendungen unerlässlich.

5G-Millimeterwellenkommunikation

Die neue Generation von 5G-Millimeterwellen-Kommunikationslösungen ermöglicht dank ihrer Geschwindigkeit, extrem hohen Bandbreite und geringen Latenz im Vergleich zu Breitbandkommunikation eine deutliche Steigerung der übertragbaren Informationsmenge. Dies unterstützt Echtzeit-Entscheidungsfindung und andere militärische Anwendungen. 5G-Systeme in niedrigeren Frequenzbändern (unter 6 GHz) waren bisher anfällig für starke Störsignale. 5G-Millimeterwellensysteme (ab 24 GHz) hingegen ermöglichen den Einsatz von 5G-Netzen sowohl im militärischen als auch im zivilen Bereich. Sie nutzen das Millimeterwellenband, das weniger anfällig für starke Störsignale ist. Beispiele hierfür sind militärische Sensornetzwerke zur Datenerfassung für Führung und Kontrolle sowie Augmented-Reality-Displays, die das Lagebewusstsein von Piloten und Infanteristen verbessern. 5G wird zudem Virtual-Reality-Lösungen für die Fernsteuerung von Fahrzeugen in Luft-, Land- und Seemissionen ermöglichen. Außerhalb des militärischen Bereichs wird 5G vielfältige Anwendungen wie intelligente Speichersysteme, Telemedizin und Truppentransport ermöglichen.

5G-Millimeterwellen-Frequenzbänder:

Verschiedene Länder nutzen unterschiedliche Frequenzbänder für 5G mmWave. In den USA wurde zunächst das 28-GHz-Band eingeführt, gefolgt vom 39-GHz-Band. China setzt 5G mmWave im Frequenzband von 24,25–27,5 GHz ein und hinkt bei der Einführung dieser Technologie hinterher.

5G-Netzwerkarchitektur

Das 5G-Netz besteht aus Makro-Basisstationen und Small Cells. Makro-Basisstationen sind über Millimeterwellen- oder Glasfaser-Backhaul-Verbindungen mit dem Kernnetz verbunden. Sie können direkt mit Mobiltelefonen der Nutzer oder mit Small Cells kommunizieren, die wiederum mit den Mobilgeräten der Nutzer kommunizieren und die Anbindung auf der letzten Meile gewährleisten. Picocells und Femtocells sorgen für Netzabdeckung in Bürogebäuden, wo die Verbindung schwach sein kann oder eine hohe Nutzerdichte herrscht.

Femtozellen werden typischerweise vom Nutzer selbst installiert, um die Netzabdeckung in kleinen Bereichen wie Heimbüros oder Funklöchern in Gebäuden zu verbessern. Sie sind für eine geringe Anzahl von Nutzern ausgelegt und können nur wenige gleichzeitige Anrufe verarbeiten; ihre Sendeleistung ist mit nur 0,2 Watt sehr gering.

Picozellen bieten eine höhere Kapazität und größere Reichweite und unterstützen bis zu 100 Nutzer in einem Umkreis von bis zu 300 Metern. Sie werden typischerweise in Gebäuden eingesetzt, um die Mobilfunkabdeckung zu verbessern, beispielsweise in Büroetagen oder Verkaufsflächen. Picozellen können temporär bei hohem Datenverkehr in begrenzten Bereichen, wie etwa bei Sportveranstaltungen, installiert werden. Sie werden aber auch als fester Bestandteil von Mobilfunknetzen in heterogenen Netzwerken eingesetzt und arbeiten dort mit Makrozellen zusammen, um eine unterbrechungsfreie Versorgung der Endnutzer zu gewährleisten. Ihre Sendeleistung beträgt bis zu 2 Watt.

Makro-Basisstationen: Dies sind große Basisstationen, die ein Gebiet von > km abdecken und eine Ausgangsleistung von bis zu > 100 Watt haben.

Radarkommunikationsanwendung:

Radarsysteme arbeiten im L-Band (1 GHz bis 2 GHz) für Anwendungen wie Freund-Feind-Erkennung (IFF), Entfernungsmessung sowie Ortung und Überwachung. Das S-Band (2 GHz bis 4 GHz) wird für selektive Antwortanwendungen im Modus S und für Wetterradarsysteme genutzt. Das X-Band (8 GHz bis 12 GHz) dient Wetter- und Flugzeugradargeräten, während das C-Band (4 GHz bis 8 GHz) für 5G und andere Kommunikationsanwendungen unterhalb von 7 GHz verwendet wird. 5G mmWave bietet die höchsten Bandbreiten und Datenraten und arbeitet in Frequenzbändern ab 24 GHz. Satellitenkommunikation für LEO (Learn Earth Opposite) und geostationäre Kommunikation findet im K-Band (12 GHz bis 40 GHz) statt.

HF-Strahlformung

Die verschiedenen Arten von Phasenantennen-Beamforming-Architekturen, die in diesen HF-Anwendungen verwendet werden, sind:
1> Analoges Beamforming
2> Digitales Beamforming
3> Hybrides Beamforming

Analoges Beamforming

Bei jedem Phased-Array beträgt der ideale Abstand zwischen den Elementen die halbe Wellenlänge λ.
Das Blockdiagramm zeigt analoges Beamforming: Vier Phased-Array-Elemente sind im Abstand der halben Wellenlänge λ angeordnet. Bei einem 30-GHz-Signal beträgt der Abstand zwischen den Elementen 5 mm. Beim analogen Beamforming formt der Phasenschieber den Strahl durch Phasenänderung, um konstruktive Interferenz für den Empfang und die Übertragung des Signals zu erzeugen, indem die Strahlenergie in eine bestimmte Richtung fokussiert wird. Dies geschieht im HF-Bereich, wodurch die Empfindlichkeit gegenüber Verbindungsverlusten erhöht wird. Das Signal vom Phasenschieber wird dann an den Kombinator/Leistungsteiler, gefolgt von einem Auf- und Abwärtsmischer sowie einem A/D-Wandler für das Basisband, weitergeleitet. Bei N Phased-Array-Elementen ist nur ein digitales Frontend erforderlich. Wie im Blockdiagramm dargestellt, besteht bei 4 Phased-Array-Elementen ebenfalls nur ein digitales Frontend aus einem A/D-Wandler. Der Vorteil dieser Architektur liegt in der geringeren Anzahl an Bauteilen und der niedrigeren Verlustleistung. Da die Phasenverschiebung jedoch in den HF-Bändern auftritt, reagiert diese Art von Beamforming-Architektur empfindlicher auf Verbindungsverluste und die Komplexität der Phasenverschiebung.

Digitale Strahlformung

Digitales Beamforming beinhaltet eine herkömmliche Auf- und Abwärtsmischung auf die Basisbandfrequenz, gefolgt von einer digitalen Phasenverschiebung. Diese Architektur bietet eine höhere Genauigkeit, da das digitale Beamforming im Basisband erfolgt. Allerdings ist für jedes Phased-Array-Element ein ADC/DAC erforderlich, was zu einer großen Anzahl von Bauteilen und einer hohen Verlustleistung führt. In diesem Fall gibt es für N Phased-Array-Elemente N digitale Frontends. Wie im Blockdiagramm dargestellt, sind für 4 Phased-Array-Elemente 4 digitale Frontends mit jeweils einem ADC/DAC erforderlich.

Hybrid Beamforming:

Hybrid Beamforming kombiniert analoges und digitales Beamforming und eignet sich daher ideal für größere Phased-Array-Antennen. Es vereint die Effizienz des analogen Beamformings mit weniger Elementen und geringerer Verlustleistung mit der Präzision des digitalen Beamformings. Wie im Blockdiagramm dargestellt, verfügt eine 4-Element-Phased-Array-Antenne über zwei digitale Frontends, bestehend aus ADCs/DACs. Im Vergleich dazu nutzte analoges Beamforming nur ein einziges digitales ADC/DAC-Frontend, während digitales Beamforming vier digitale ADC/DAC-Frontends besaß.

HF-Signalkette

Die Abbildung zeigt das Blockdiagramm der HF-Signalkette. Am Empfänger tritt das HF-Signal über die Antenne ein, durchläuft eine Begrenzungsdiode und anschließend einen Schalter. Die gewünschte HF-Frequenz wird mittels Sägezahnfiltern ausgewählt. Das Signal wird dann durch einen rauscharmen Verstärker mit extrem niedrigem Rauschmaß verstärkt, um die Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses zu minimieren. Anschließend erfolgt die Abwärtsmischung durch einen Mischer. Das Lokaloszillatorsignal (LO-Signal) wird mithilfe diskreter PLL-Komponenten erzeugt. Diese umfassen einen Phasen-Frequenz-Detektor, einen Frequenzteiler zur Bereitstellung der LO-Frequenz für den Mischer zur Umwandlung in eine Zwischenfrequenz (ZF) und die anschließende ZF-Basisband-Umwandlung zur Signalverarbeitung.

Im Sender wird das Basisbandsignal in ein Zwischenfrequenzsignal (ZF) und anschließend in die gewünschte HF-Frequenz umgewandelt. Das HF-Signal wird zur Übertragung mit einem Leistungsverstärker verstärkt.

Gütezahl RF

Die Tabelle zeigt die HF-Gütekennzahl und die Vorteile der im HF-Blockdiagramm verwendeten Komponenten.

Anforderungen an Leistungsverstärker (PA):
Leistungsverstärker (PAs) spielen eine entscheidende Rolle in HF-Senderanwendungen. Eine der wichtigsten Anforderungen an PAs ist der Betrieb im linearen Bereich, um HF-Verzerrungen zu minimieren. Satellitenkommunikationssysteme mit Modulationsverfahren höherer Ordnung, wie z. B. 64/128/256-QAM (Quadraturamplitudenmodulation), reagieren äußerst empfindlich auf nichtlineares Verhalten. Eine weitere Herausforderung ist die Erzielung eines zufriedenstellenden Verhältnisses von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung (PAPR). Das PAPR ist das Verhältnis zwischen der maximalen und der durchschnittlichen Leistung des PA. Es bestimmt die übertragbare Datenmenge und ist proportional zur durchschnittlichen Leistung. Gleichzeitig hängt die für ein bestimmtes Format erforderliche Größe des PA von der Spitzenleistung ab. Die FCC-Anforderungen an die effektive isotrope Strahlungsleistung (EIRP) für 5G-Millimeterwellen umfassen eine Sendeleistung von 43 dBm EIRP für mobile Endgeräte und eine transportierbare Leistung von 55 dBm EIRP für Basisstationen. Diese und weitere Herausforderungen lassen sich nur mit GaN-auf-SiC-Leistungsverstärkern für Satellitenkommunikation, 5G, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung bewältigen.
Galliumnitrid (GaN)-auf-Siliziumkarbid (SiC)-Leistungsverstärker
bieten die höchste Leistungsdichte für die Erzeugung hoher linearer Ausgangsleistungen bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad. Sie arbeiten in den Ka- und Ku-Bändern von 12 GHz bis 40 GHz für Satellitenkommunikation und 5G und zeichnen sich durch große Bandbreiten, hohe Verstärkung und verbesserte thermische Eigenschaften aus – ideal für HF-Anwendungen. Microchip bietet GaN-auf-SiC-HF-Lösungen, die die SWaP-C-Anforderungen erfüllen. Der ICP2840 ist ein Flaggschiffprodukt im Frequenzband von 27,5 bis 31 GHz mit einer Ausgangsleistung von 9 Watt im Dauerstrichbetrieb (CW) und 10 Watt im Impulsbetrieb, 22 dB Verstärkung und 22 % höherer Leistungseffizienz.

 

 

 

Microchip K-Band-Leistungsverstärker

Der ICP2840 erzeugt eine kontinuierliche Wellenausgangsleistung von 9 W im 27,5-31 GHz Ka-Band für die Uplink-Frequenz der Satellitenkommunikation sowie im 28 GHz 5G-Frequenzband.

Der ICP2637 verfügt über eine große Bandbreite von 23-30 GHz und erzeugt eine kontinuierliche Ausgangsleistung von 5 Watt. Er wird sowohl in einem QFN-Gehäuse als auch als Chip angeboten.

Der ICP1445 erzeugt eine gepulste Ausgangsleistung von 35 Watt im Frequenzband von 13-15,5 GHz.

Der ICP1543 arbeitet im Ku-Band von 12 bis 18 GHz und erzeugt eine kontinuierliche Ausgangsleistung von 20 Watt.

Diese Leistungsverstärker (PAs) bieten dank GaN-auf-SiC-Technologie eine hohe Verstärkung und verbesserte Energieeffizienz und erfüllen die Anforderungen des Ku/Ka-Bands für 5G, Satellitenkommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigungsanwendungen. GaN-auf-SiC bietet mit seiner höheren Leistungsdichte optimale Leistungsverstärkerlösungen für diese Anwendungen.

 

Abbildung 11: Zu den GaN-auf-SiC-MMIC-Leistungsverstärkern von Microchip Technology für das Ku-Ka-Band gehört der ICP2840, der eine kontinuierliche Ausgangsleistung von 9 W im 27,5-31 GHz Ka-Band für den Uplink erzeugt.

 

Autor: Baljit Chandhoke, Produktmanager für HF-Produkte bei Microchip Technology