Усилители мощности миллиметрового диапазона

Ақпараттық жүйелер
Советкажиев Алишер Иса Исамар, Волгина Анна, Усилители мощности миллиметрового диапазона

Мақала авторы: Советкажиев Алишер Иса Исамар, Волгина Анна
Жұмыс орны:
Лауазымы: Магистрант
Порталға жариялану мерзімі: 08.12.2017


Развитие систем связи идет в направлении внедрения сложных и цифровых сигналов, повышения скорости передачи цифровых потоков, что в свою очередь приводит к расширению спектра передаваемых частот и необходимости использования диапазона сверхвысоких частот (до 100 ГГц). По международным стандартам к диапазону СВЧ относят сантиметровый диапазон волн (3 … 30 ГГц), но в обиходе к этому диапазону причисляют области метровых (ОВЧ), дециметровых (УВЧ) сантиметровых (СВЧ) и миллиметровых (КВЧ) волн. Нижняя граница СВЧ диапазона определяется невозможностью использования колебательных систем с сосредоточенными постоянными. На частотах выше 300 МГц катушка индуктивности колебательного контура вырождается в один неполный виток, а требуемая емкость контура становится соизмеримой с входной емкостью транзистора совместно с емкостью монтажа. Контур превращается в отрезок линии. В диапазоне СВЧ используются пассивные элементы с распределенными параметрами, передача энергии с помощью полых труб (волноводов), конструкция активных устройств (усилителей, генераторов) с непосредственным энергетическим обменом между электронным потоком и электромагнитным полем колебательной системы. Верхняя граница СВЧ диапазона определяется близостью к тепловому излучению (длинным инфракрасным волнам) где требуются иные подходы к генерированию, усилению и передаче электромагнитной энергии.

Мы все знакомы с AM и FM-радио — и понимаем, что беспроводные соединения других видов, включая Wi-Fi, используют радиоволны. Различные полосы частот радиочастотного спектра используются для создания новых приложений. Полоса W микроволновой части электромагнитного спектра колеблется от 75 до 110 ГГц, длина волны ≈ 2,7-4 мм. Он находится над частотной полосой V, обозначенной IEEE в США (50-75 ГГц), и перекрывает обозначенный НАТО диапазон М (60-100 ГГц). Полоса W используется для спутниковой связи, радиолокационных исследований миллиметрового диапазона, военного наведения и отслеживания, и некоторых невоенных применений.

5 июня 2017 года Университет Хиросимы и Mie Fujitsu Semiconductor Limited (MIFS) объявили о разработке маломощного усилителя миллиметровой волны, который питается от источника питания 0,5 В и охватывает диапазон частот от 80 ГГц до 106 ГГц. Он был собран с использованием технологии глубокого истощения канала (DDC) MIFS. Это первый усилитель диапазона (75-110 ГГц), который может работать даже при таком низком напряжении питания. Подробная информация о технологии была представлена ​​на симпозиуме IEEE по радиочастотным интегральным схемам (RFIC) 2017, который проходил с 4 по 6 июня в Гонолулу, Гавайи.

Данный диапазон охватывает частоты, используемые в автомобильных радарах. Сложная помощь водителям и самообслуживание потребуют радары с возможностью сканирования луча миллиметрового диапазона, которые могут видеть днем ​​и ночью и даже в неблагоприятных погодных условиях. Такой фазированный массив будет состоять из сотен передатчиков и приемников. Учитывая тот факт, что даже автомобили переходят на полное батарейное питание, крайне важно, чтобы эти схемы были маломощными. Снижение напряжения питания является наиболее эффективным средством достижения этого. Однако характеристики транзистора снижаются с напряжением, и ни один усилитель W-диапазона до сих пор не работал на уровне 0,5 В. Команда исследователей успешно продемонстрировала усилитель W-диапазона на 0,5 В, объединив технологию DDC и методы проектирования MIFS, разработанные Университетом Хиросимы. Технология DDC предлагает высокопроизводительные кремниевые МОП-транзисторы даже при низком напряжении и в настоящее время доступна из MIFS в виде 55-нм CMOS-процесса. Методы проектирования дополнительно улучшают работу транзисторов и схем на частотах миллиметровых волн. Исследовательская группа планирует продолжить изучение возможности низковольтных миллиметровых CMOS-схем.

Диапазон СВЧ

Развитие систем связи идет в направлении внедрения сложных и цифровых сигналов, повышения скорости передачи цифровых потоков, что в свою очередь приводит к расширению спектра передаваемых частот и необходимости использования диапазона сверхвысоких частот (до 100 ГГц). По международным стандартам к диапазону СВЧ относят сантиметровый диапазон волн (3 … 30 ГГц), но в обиходе к этому диапазону причисляют области метровых (ОВЧ), дециметровых (УВЧ) сантиметровых (СВЧ) и миллиметровых (КВЧ) волн. Нижняя граница СВЧ диапазона определяется невозможностью использования колебательных систем с сосредоточенными постоянными.

Малошумящие транзисторные усилители СВЧ

К малошумящим усилителям СВЧ предъявляется комплекс достаточно жестких и в известной мере противоречивых требований. Они должны обладать:

  • очень малым коэффициентом шума;
  • высоким коэффициентом усиления;
  • широким динамическим диапазоном;
  • равномерной АЧХ и линейной ФЧХ в широкой полосе частот.

Полоса усиливаемых частот делается достаточно широкой, чтобы исключить необходимость перестройки усилителя. В настоящее время применительно к системам радиосвязи, радиовещания и телевидения в наибольшей мере этим требованиям удовлетворяют транзисторные малошумящие усилители.

Используются:

  • биполярные транзисторы СВЧ на частотах до 7 ГГц;
  • полевые транзисторы с затвором Шоттки до миллиметрового диапазона включительно.

Свойства усилителя диапазона СВЧ описываются параметрами,

отличающимися от параметров усилителей умеренно высоких частот, что связано с особенностью измерений на СВЧ.

Рассматриваются:

  • входные и выходные коэффициенты отражения Г1 и Г2;
  • функции усиления и отражения мощности Кр и Кот.

Важную роль играют шумовые параметры (коэффициент шума, шумовое число, мера шума).

Принципиальная схема однокаскадного узкополосного малошумящего усилителя

Типичная схема однокаскадного узкополосного малошумящего усилителя на полевом транзисторе с затвором Шоттки. Транзистор включен по схеме с общим истоком. Цепь согласования СЦ1 образована отрезками микрополосковых линий длиной l1, l2, согласующая цепь СЦ2 — отрезками l3, l4. В общем случае волновые сопротивления линий не одинаковы, отрезки l1, l3 образуют короткозамкнутые шлейфы. Стабилизирующее сопротивление Rст по высокой частоте подключено параллельно выходным зажимам транзистора. Для формирования АЧХ узкополосных малошумящих усилителей можно использовать фильтры сосредоточенной избирательности на входе или на выходе. Применяются также цепи отрицательной обратной связи из реактивных элементов.

Поскольку коэффициент усиления транзистора уменьшается с ростом частоты, вопросы согласования в широкополосных усилителях решают на верхней частоте рабочего диапазона. Возникающее при этом избыточное усиление на нижних частотах устраняется реактивными или диссипативными (поглощающими) выравнивающими цепями.

Одно из основных направлений создания сверхвысокоскоростных (свыше 1 Гбит/с) беспроводных каналов связи и сетей передачи мультимедийной информации – переход от традиционного сантиметрового диапазона радиоволн к миллиметровому (60– 100 ГГц). Этот переход уже характеризуют как новую инновационную волну, сопоставимую с появлением стандартов сотовой связи и систем Wi-Fi. Рассмотрим основные подходы к построению аппаратуры связи «точка-точка» и сетей на ее основе в миллиметровом диапазоне длин волн.

Одновременно со стремительным ростом пользователей беспроводными средствами связи – от корпоративных информационных центров до подростков с iPhone – растет и потребность в повышении пропускной способности беспроводных систем связи. Это стимулирует разработку мобильных и стационарных систем широкополосного беспроводного доступа, работающих на частотах миллиметрового диапазона длин волн. И если первоначально электронные компоненты миллиметрового диапазона длин волн в основном предназначались для военных и космических систем, то сегодня они активно проникают на рынки устройств гражданского назначения, в первую очередь средств связи и автомобильных радиолокаторов. Исторически на рынке сверхвысокочастотных полупроводниковых приборов для систем военного и космического назначения доминировали приборы на арсениде галлии и антимониде галлия. Они и сейчас активно разрабатываются. Но благодаря совершенствованию технологии кремниевых приборов, в том числе биполярных SiGe-транзисторов и наноразмерных КМОП-устройств, кремний сегодня рассматривается как перспективная альтернатива полупро водниковым соединениям при разработке устройств для беспроводных локальных и персональных систем связи миллиметрового диапазона.

Сегодня наблюдается увеличение объема передачи данных средствами беспроводной связи. И эта тенденция будет усиливаться по мере перехода пользователей от обычных мобильных телефонов к смартфонам и другим многофункциональным устройствам современных стандартов беспроводной связи. А с освоением 4G-технологии беспроводные системы по скорости передачи данных станут сопоставимы с потребительскими кабельными и оптоволоконными системами связи. При этом следует отметить, что высокие темпы прироста объема трафика мобильных устройств, особенно смартфонов, вызывает дальнейшее уплотнение существующего частотного диапазона и необходимость активного освоения миллиметрового диапазона длин волн. Уже сейчас системы беспроводной связи малой дальности, способные передавать данные и сигналы на расстояние 3–5 м со скоростью 5 Мбит/с, работают на частоте 60 ГГц. Для систем большей дальности (до 1 км и более) со скоростью передачи 1–2 Гбит/с частота возрастает до 71–76 и 81–86 ГГц. Частота автомобильных радиолокаторов составляет 77 ГГц. Перспективы развития систем миллиметрового диапазона во многом определяются уровнем разработок микросхем и чипсетов этого диапазона. Компоненты с требуемыми для беспроводных устройств характеристиками, в том числе с высокими эффективностью и линейностью на все более высоких частотах, в первую очередь могут быть выполнены на полупроводниковых соединениях групп III-V. Они и будут доминировать в сегменте мобильных терминалов, а в дальнейшем появятся в сегменте устройств базовых станций (сначала GaAs высоковольтные HBT, или HV-HBT, а затем GaN-приборы).

GaAs-транзисторы и многофункциональные микроволновые монолитные микросхемы (MMIC) уже давно используются в стандартных блоках передачи и приема сигнала самых разнообразных электронных систем. И сегодня рынок этих устройств быстро восстанавливается после прошедшего экономического кризиса. Высокому спросу на арсенидгаллиевые приборы в значительной степени способствует рост рынка мобильных устройств и смартфонов.

Для перехода к телекоммуникационным системам 5G наряду с повышением скорости передачи данных необходимо решить задачу обслуживания большего числа абонентов на заданной площади, что обычно называют «уплотнением». Эта потребность подстегивает интерес к менее загруженным участкам спектра в СВЧ и КВЧ (миллиметровом) диапазонах и стимулирует переход от работы с широкой диаграммой направленности к узконаправленной передаче. В эру узконаправленной связи на одного абонента можно направить один или несколько лучей, что дает возможность многократно использовать одни и те же частоты, а также повышать уровень принимаемого сигнала. Узконаправленная связь позволяет существенно снизить стоимость услуг для потребителей и открывает множество дополнительных возможностей для применения систем 5G и выше, включая целый ряд новых приложений наземной и авиационной связи. Ключевое звено такого «уплотнения 5G» – антенна, физические размеры которой для узконаправленной передачи должны примерно в восемь раз превышать длину передаваемой волны. Но чтобы антенна сохраняла приемлемый для коммерческого использования размер, приходится задействовать меньшие длины волн или более высокие частоты – этим объясняется огромный интерес к незагруженному диапазону 60 ГГц. Чаще всего в данном диапазоне используется стандарт IEEE 802.11ad (WiGig), обеспечивающий скорость передачи до 7 Гбит/с за счет применения передатчиков и приемников с фазированными антенными решетками, которые повышают эффективность канала, улучшают параметры системы и помогают оптимизировать тракт передачи. Хотя преимущества внедрения 5G и многогигабитных каналов передачи весьма привлекательны, возможность их реализации определяется двумя ключевыми факторами: созданием недорогих фазированных антенных решеток и их адаптацией для использования в коммуникационных каналах 5G. Исследованием второй задачи занялись в прошлом году ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) в тесном сотрудничестве с компанией Keysight Technologies. Результаты работы представляют собой огромный прорыв – был успешно продемонстрирован первый в мире интегральный передатчик с 64-элементной (8 . 8) и 256-элементной (16 . 16) фазированной антенной решеткой. Его высоко-эффективные встроенные антенны обеспечивают связь на гигабитных скоростях в радиусе нескольких сотен метров. В ходе демонстрации была доказана работоспособность такого канала и показана рекордная производительность. Новые разработки в рамках текущих исследований таят в себе огромные потенциальные возможности, способствующие переходу к узконаправленной связи 5G. Не менее важно, что эти работы прокладывают путь для будущих исследований и разработок в области коммуникационных систем миллиметрового диапазона.

Список использованной литературы.

1)В.Вишневский, д.т.н vishn@inbox.ru, С.Фролов И.Шахнович/  Радиорелейные линии связи в миллиметровом диапазоне: новые горизонты скоростей/ НТБ 2011

2) М.Пирпоинт, Г.Ребейз/ Переход к телекоммуникационным системам 5G –создание каналов связис фазированными антенными решетками/ НТБ 2016

3) Low-Power Millimeter-Wave Amplifier is Foundation for Application Potential, https://yenra.com/millimeter-wave-amplifier/ 2017