Questo articolo approfondisce i requisiti delle applicazioni 5G, delle comunicazioni satellitari, aerospaziali e di difesa, comprese le diverse tipologie di architetture di beamforming e il modo in cui gli amplificatori di potenza GaN-on-SiC stanno risolvendo le sfide di comunicazione in queste applicazioni RF.

Opportunità e sfide degli amplificatori di potenza RF

Le maggiori opportunità di crescita e le maggiori sfide per gli amplificatori di potenza RF risiedono nelle comunicazioni satellitari, così come nelle emergenti soluzioni di comunicazione 5G. La NASA ha permesso alle aziende del settore privato di lanciare migliaia di satelliti in orbita terrestre bassa (LEO) che ora orbitano attorno alla Terra, fornendo accesso a Internet a banda larga, navigazione, sorveglianza marittima, telerilevamento e altri servizi. Queste applicazioni a radiofrequenza ricercano sistematicamente vantaggi in termini di dimensioni, peso, consumo energetico e costo (SWaP-C). Le grandi antenne paraboliche vengono sostituite da antenne phased array per le comunicazioni satellitari, che richiedono componenti più piccoli per l'integrazione, nonché componenti più leggeri. Un'elevata potenza RF, che sia lineare con elevati valori di P1dB e IP3 per ridurre la distorsione, ed efficiente con un elevato PAE per minimizzare il consumo energetico, è essenziale per queste applicazioni RF.

Comunicazioni a onde millimetriche 5G

La nuova generazione di soluzioni di comunicazione 5G a onde millimetriche, grazie alla velocità, alla larghezza di banda ultra-ampia e alla bassa latenza per le comunicazioni a banda larga, sta aumentando in modo sostanziale la quantità di informazioni che possono essere condivise a supporto del processo decisionale in tempo reale e di altre applicazioni militari. I sistemi 5G operanti in bande di frequenza inferiori (sotto i 6 GHz) sono stati vulnerabili ai segnali di interferenza ad alta potenza, ma i sistemi 5G a onde millimetriche (24 GHz e superiori) stanno portando le reti 5G ad applicazioni sia sul campo di battaglia che al di fuori di esso, utilizzando la banda delle onde millimetriche, che è meno suscettibile ai segnali di interferenza ad alta potenza. Esempi includono reti di sensori militari per la raccolta di dati di comando e controllo e display di realtà aumentata che migliorano la consapevolezza situazionale per piloti e soldati di fanteria. Il 5G consentirà anche soluzioni di realtà virtuale per il controllo remoto di veicoli in missioni aeree, terrestri e navali. Al di fuori degli ambienti militari, il 5G consentirà diverse applicazioni come l'archiviazione intelligente, la telemedicina e il trasporto truppe.

Bande di frequenza a onde millimetriche 5G:

Diversi paesi utilizzano bande di frequenza diverse per il 5G mmWave. Negli Stati Uniti, la prima banda 5G mmWave implementata è stata quella a 28 GHz, seguita da quella a 39 GHz. La Cina sta implementando il 5G mmWave nella banda 24,25–27,5 GHz ed è rimasta indietro nell'adozione di questa tecnologia.

architettura di rete 5G

La rete 5G è composta da stazioni base macro e small cell. Le stazioni base macro sono connesse alla rete centrale tramite collegamenti di backhaul a onde millimetriche (mmWave) o in fibra ottica. Le stazioni base macro possono comunicare direttamente con i dispositivi mobili degli utenti o con le small cell, che a loro volta comunicano con i dispositivi mobili degli utenti e forniscono la connettività dell'ultimo miglio. Le picocellule e le femtocellule forniscono la connettività di rete all'interno degli edifici per uffici, dove la connessione potrebbe essere debole o dove la densità di utenti è elevata.

Le femtocelle vengono in genere installate dall'utente per migliorare la copertura in un ambiente di piccole dimensioni, come un ufficio domestico o una zona d'ombra all'interno di un edificio. Le femtocelle sono progettate per supportare solo un numero limitato di utenti e possono gestire solo poche chiamate simultanee; hanno una potenza di uscita molto bassa, anche di soli 0,2 watt.

Le picocelle offrono maggiore capacità e copertura, supportando fino a 100 utenti entro un raggio di 300 metri. Vengono tipicamente installate all'interno di edifici per migliorare la scarsa copertura wireless e cellulare, ad esempio in un piano uffici o in un'area commerciale. Possono essere installate temporaneamente in previsione di un traffico intenso in un'area limitata, come ad esempio durante un evento sportivo, ma vengono anche installate come componente permanente delle reti cellulari in una rete eterogenea, lavorando in sinergia con le macrocelle per fornire una copertura ininterrotta agli utenti finali. Hanno una potenza di uscita fino a 2 watt.

Stazioni base macro: si tratta di grandi stazioni base che coprono un'area > km e hanno una potenza di uscita fino a > 100 watt.

Applicazione della comunicazione radar:

I sistemi radar operano nella banda L, da 1 gigahertz (GHz) a 2 GHz, per applicazioni quali IFF (Identificazione Amico o Nemico), apparecchiature di telemetria, tracciamento e sorveglianza. La banda S (da 2 GHz a 4 GHz) è utilizzata per applicazioni di risposta selettiva in modalità S e per sistemi radar meteorologici. La banda X (da 8 GHz a 12 GHz) è utilizzata per radar meteorologici e aeronautici, mentre la banda C (da 4 GHz a 8 GHz) è utilizzata per il 5G e altre applicazioni di comunicazione al di sotto dei 7 GHz. Il 5G mmWave offre le larghezze di banda e le velocità di trasmissione dati più elevate, operando in bande di frequenza a partire da 24 GHz. Le comunicazioni satellitari per LEO (Apprendimento della Terra Opposta) e geostazionarie operano nella banda K, che si estende da 12 GHz a 40 GHz.

formazione del fascio RF

I diversi tipi di architetture di beamforming di antenne a fase utilizzate in queste applicazioni RF sono:
1> Beamforming analogico
2> Beamforming digitale
3> Beamforming ibrido

Formazione di fascio analogica

Per qualsiasi array di fase, la spaziatura ideale tra gli elementi è pari alla metà della lunghezza d'onda di lambda.
Il diagramma a blocchi mostra il beamforming analogico: ci sono quattro elementi dell'array di fase separati da una distanza pari alla metà della lunghezza d'onda di lambda. Per un segnale a 30 GHz, la spaziatura tra gli elementi dell'array di fase sarà di 5 mm. Nel beamforming analogico, lo sfasatore modella il fascio modificandone la fase per creare un'interferenza costruttiva per la ricezione e la trasmissione del segnale, focalizzando l'energia del fascio in una direzione specifica. Tutto ciò avviene alla frequenza RF, rendendo il sistema più sensibile alle perdite di interconnessione. Il segnale proveniente dallo sfasatore passa quindi al combinatore/divisore di potenza, seguito da un convertitore di frequenza e da un convertitore ADC/DAC per la banda base. In questo caso, per N elementi dell'array di fase, è presente un solo front-end digitale. Come si può vedere nel diagramma a blocchi, per 4 elementi dell'array di fase, è presente un solo front-end digitale costituito da un convertitore ADC/DAC. Il vantaggio di questa architettura è il minor numero di componenti e la minore dissipazione di potenza. Tuttavia, poiché lo sfasamento si verifica nelle bande RF, questo tipo di architettura di beamforming è più sensibile alle perdite di interconnessione e alla complessità dello sfasamento.

Formazione di fascio digitale

Il beamforming digitale prevede una conversione tradizionale verso l'alto e verso il basso alla frequenza di banda base, seguita da uno sfasamento digitale. Questa architettura offre una maggiore precisione perché il beamforming digitale viene eseguito in banda base. Tuttavia, è presente un ADC/DAC per ogni elemento dell'array a fasi, il che comporta un elevato numero di componenti e un'elevata dissipazione di potenza. In questo caso, per N elementi dell'array a fasi, ci sono N front-end digitali. Come mostrato nel diagramma a blocchi, per 4 elementi dell'array a fasi, ci sono 4 front-end digitali comprendenti ADC/DAC.

Formazione di fasci ibrida:

Il beamforming ibrido combina il beamforming analogico e quello digitale, risultando ideale per array di fase di grandi dimensioni, in quanto consente di ottenere l'efficienza del beamforming analogico con un minor numero di elementi, una minore dissipazione di potenza e la precisione del beamforming digitale. Come mostrato nel diagramma a blocchi, per un array di fase a 4 elementi, sono presenti 2 front-end digitali composti da ADC/DAC. In confronto, il beamforming analogico utilizzava un solo front-end digitale ADC/DAC, mentre il beamforming digitale ne utilizzava 4.

catena del segnale RF

La figura mostra lo schema a blocchi della catena del segnale RF. Al ricevitore, il segnale RF entra attraverso l'antenna, passa attraverso un diodo limitatore, seguito da un interruttore, e la frequenza RF desiderata viene selezionata tramite filtri a dente di sega. Il segnale desiderato viene quindi amplificato da un amplificatore a basso rumore con un fattore di rumore estremamente basso per minimizzare il degrado del rapporto segnale/rumore del segnale ricevuto. Viene poi convertito in frequenza da un mixer. Il segnale dell'oscillatore locale (LO) viene generato utilizzando componenti PLL discreti comprendenti un rivelatore di fase e frequenza, un prescaler per fornire la frequenza LO al mixer per la conversione in una frequenza intermedia (IF), seguito dalla conversione da IF a banda base per l'elaborazione del segnale.

Nel trasmettitore, il segnale in banda base viene convertito in frequenza intermedia (IF) e quindi nella frequenza RF desiderata. Il segnale RF viene amplificato tramite un amplificatore di potenza per la trasmissione.

Figura di merito RF

La tabella mostra il parametro di merito RF e i vantaggi dei componenti utilizzati nello schema a blocchi RF.

Requisiti degli amplificatori di potenza (PA):
Gli amplificatori di potenza (PA) svolgono un ruolo fondamentale nelle applicazioni di trasmissione RF. Uno dei requisiti più importanti per i PA è la capacità di operare nella regione lineare per minimizzare la distorsione RF. I sistemi di comunicazione satellitare che utilizzano schemi di modulazione di ordine superiore, come la modulazione di ampiezza in quadratura (QAM) a 64/128/256 bit, sono estremamente sensibili al comportamento non lineare. Un'altra sfida consiste nel raggiungere un rapporto potenza di picco-potenza media (PAPR) soddisfacente, ovvero il rapporto tra la potenza massima erogata dal PA e la sua potenza media. Il PAPR determina la quantità di dati trasmissibili ed è proporzionale alla potenza media. Allo stesso tempo, le dimensioni del PA necessarie per un dato formato dipendono dalla potenza di picco. I requisiti di potenza isotropica irradiata effettiva (EIRP) per il 5G mmWave della FCC includono una potenza di trasmissione di 43 dBm EIRP per i terminali mobili e una potenza trasportabile per le stazioni base di 55 dBm EIRP. Queste e altre sfide contrastanti possono essere superate solo con amplificatori di potenza GaN-on-SiC per comunicazioni satellitari, 5G, applicazioni aerospaziali e di difesa.
Amplificatori di potenza al nitruro di gallio (GaN) su carburo di silicio (SiC):
il GaN-on-SiC offre la più alta densità di potenza per generare un'elevata potenza di uscita lineare con un'elevata efficienza. Gli amplificatori di potenza GaN-on-SiC possono operare ad alte frequenze nelle bande Ka e Ku ​​da 12 GHz a 40 GHz per comunicazioni satellitari e 5G, e offrono ampie larghezze di banda, guadagno elevato e migliori proprietà termiche, soddisfacendo i requisiti delle applicazioni RF. Microchip offre soluzioni RF GaN-on-SiC che soddisfano i requisiti SWaP-C per i componenti. L'ICP2840 è un dispositivo di punta che opera nella banda 27,5-31 GHz, fornendo 9 watt di potenza di uscita a onda continua (CW) e 10 watt di potenza di uscita pulsata con un guadagno di 22 dB e un'efficienza energetica aumentata del 22%.

 

 

 

Amplificatori di potenza in banda K a microchip

L'ICP2840 genera una potenza di uscita a onda continua di 9 W nella banda Ka da 27,5-31 GHz per la frequenza di uplink per le comunicazioni satellitari, nonché nella banda di frequenza 5G a 28 GHz.

L'ICP2637 ha un'ampia larghezza di banda di 23-30 GHz e genera una potenza di uscita a onda continua di 5 watt ed è disponibile sia in un package QFN che in formato chip.

L'ICP1445 genera una potenza di uscita pulsata di 35 watt nella banda di frequenza 13-15,5 GHz.

L'ICP1543 opera nella banda Ku da 12 a 18 GHz e genera una potenza di uscita a onda continua di 20 watt.

Questi amplificatori di potenza (PA) offrono un guadagno elevato e una maggiore efficienza energetica grazie alla tecnologia GaN-on-SiC e soddisfano i requisiti della banda Ku/Ka per applicazioni 5G, comunicazioni satellitari, aerospaziali e di difesa. Il GaN-on-SiC, con la sua maggiore densità di potenza, fornisce soluzioni di amplificazione di potenza ottimali per queste applicazioni.

 

Figura 11: Gli amplificatori di potenza MMIC GaN-on-SiC in banda Ku-Ka di Microchip Technology includono l'ICP2840, che genera una potenza di uscita a onda continua di 9 W nella banda Ka da 27,5-31 GHz per il collegamento in uplink.

 

Autore: Baljit Chandhoke, Product Manager RF Products presso Microchip Technology