La soluzione alle sfide di comunicazioni 5G e SatCom nel settore Aerospaziale e Difesa, con amplificatori di potenza GaN on SiC.
I sistemi RF necessitano di amplificatori di potenza (PA) per fornire una elevata potenza di uscita, lineare ed efficiente. Man mano che i sistemi si spostano verso schemi di modulazione di ordine superiore, come la Quadrature Amplitude Modulation (QAM) 64/128/256, devono anche fornire un'elevata linearità ed efficienza in ambienti più densi con un rigoroso peak-to-average power ratio (PAPR). Una nuova generazione di PA MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits) al GaN (Gallium Nitride) su SiC (Silicon Carbide) offre una soluzione a queste sfide con la più alta densità di potenza, per generare uscita lineare ad alta efficienza e con una elevata potenza. Questo articolo approfondisce i requisiti delle applicazioni 5G delle comunicazioni satellitari, aerospaziali e difesa, inclusi i diversi tipi di architetture di beamforming e in che modo gli amplificatori di potenza GaN on SiC stanno risolvendo le sfide di comunicazione in queste applicazioni RF.
GaN on SiC: opportunità e sfide degli amplificatori di potenza RF
Le maggiori sfide e opportunità di crescita per gli amplificatori di potenza RF riguardano le comunicazioni satellitari e le soluzioni di comunicazione 5G emergenti. La NASA ha consentito alle aziende del settore privato di lanciare migliaia di satelliti LEO (low-Earth-orbit) che ora circondano la terra e forniscono accesso a Internet a banda larga, navigazione, sorveglianza marittima, telerilevamento e altri servizi. Queste applicazioni RF ricercano costantemente vantaggi SWaP-C (Size, Weight, Power and Cost). Le grandi antenne paraboliche vengono sostituite con antenne phased array per la comunicazione satellitare che richiedono componenti di dimensioni più piccole per l'integrazione, nonché componenti di peso inferiore. L'elevata potenza RF, che è lineare con elevati P1dB e IP3, per ridurre la distorsione, ed è efficiente con un elevato PAE per ridurre al minimo il consumo energetico, è essenziale per queste applicazioni RF.
Comunicazioni 5G a onde millimetriche
Le nuove generazioni di soluzioni di comunicazione 5G a onde millimetriche, in virtù della loro velocità, larghezza di banda ultra larga e bassa latenza per la comunicazione a banda larga, stanno sostanzialmente aumentando la quantità di informazioni che possono essere condivise a supporto del processo decisionale in tempo reale e di altre applicazioni militari. I sistemi 5G che operano in bande di frequenza inferiori (sotto i 6 GHz) sono stati vulnerabili ai segnali di disturbo ad alta potenza, ma i sistemi 5G a onde millimetriche (24 GHz e oltre) stanno portando la rete 5G sia alle applicazioni on-battlefield che off-battlefield con la banda di onde millimetriche che invece non è così vulnerabile ai segnali di disturbo ad alta potenza. Gli esempi includono reti di sensori sul campo di battaglia per la raccolta di dati di comando e controllo e display di realtà aumentata che migliorano la consapevolezza della situazione per piloti e soldati di fanteria. Il 5G consentirà anche soluzioni di realtà virtuale per il funzionamento remoto dei veicoli in missioni aeree, terrestri e marittime. Fuori dal campo di battaglia, il 5G consentirà una varietà di applicazioni intelligenti di magazzino, telemedicina e trasporto truppe.
Bande di Frequenza del 5G mmWave
I diversi paesi hanno bande diverse per 5G mmWave. Negli Stati Uniti 28 GHz è stata la prima banda 5G mmWave implementata, seguita da 39 GHz. La Cina sta implementando 5G mmWave nei 24,25 – 27,5 GHz e ha ritardato l’adozione di 5G mmWave. (Figura 1)
Architettura di rete 5G
5G network è composto da macro stazioni base e piccole celle. La stazione base macro è collegata alla rete centrale utilizzando collegamenti mmWave Back haul o in fibra ottica. Le macro stazioni base possono parlare direttamente con i telefoni cellulari dell'apparecchiatura utente o possono parlare con le piccole celle che parlano con il dispositivo mobile dell'apparecchiatura utente che fornisce la connettività dell'ultimo miglio. Ci sono pico celle e femto celle che forniscono connettività di rete all'interno di edifici per uffici in cui la connessione potrebbe essere debole o che hanno un'alta densità di utenti. (Figura 2)
Le femtocelle sono tipicamente installate dall'utente per migliorare l'area di copertura all'interno di una piccola area nelle vicinanze, come un ufficio domestico o una zona morta all'interno di un edificio. Le femtocelle sono progettate per supportare solo una manciata di utenti e sono in grado di gestire solo poche chiamate simultanee: hanno una potenza di uscita molto bassa, fino a 0,2 Watt.
Le Picocelle offrono maggiori capacità e aree di copertura, supportando fino a 100 utenti su una distanza fino a 300 metri. Le Picocelle vengono spesso distribuite al chiuso per migliorare la scarsa copertura wireless e cellulare all'interno di un edificio, come un piano ufficio o uno spazio commerciale. Le picocelle possono essere implementate temporaneamente in previsione di un elevato traffico all'interno di un'area limitata, come un evento sportivo, ma sono anche installate come funzionalità permanente delle reti cellulari mobili in una rete eterogenea che funziona in combinazione con le macro celle per fornire una copertura ininterrotta per gli utenti finali. Hanno una potenza di uscita fino a 2 Watt
Macro stazioni base – sono grandi stazioni base che coprono una vasta area di > km e hanno una potenza di uscita fino a >100 Watt.
Applicazione di Comunicazione Radar
I sistemi radar operano nella banda L da 1 Gigahertz (GHz) a 2 GHz per applicazioni tra cui "identifica amici o nemici", apparecchiature di misurazione della distanza, tracciamento e sorveglianza. La banda S (da 2 GHz a 4 GHz) viene utilizzata per le applicazioni di risposta selettiva Mode S e per i sistemi radar meteorologici. La banda X (da 8 GHz a 12 GHz) viene utilizzata per i radar meteorologici e aeronautici, mentre la banda C (da 4 GHz a 8 GHz) viene utilizzata per il 5G e altre applicazioni di comunicazione sub 7 GHz. Il 5G mm Wave fornisce le più elevate larghezze di banda e velocità di trasmissione dati, operando in bande di frequenza da 24 GHz e oltre. Le comunicazioni satellitari per LEO e le comunicazioni geosincrone operano nella banda K, che va da 12 GHz a 40 GHz. (Figura 3)
RF Beamforming
I diversi tipi di architetture Phased Array Beamforming utilizzate in queste applicazioni RF sono:
1> Analog Beamforming
2> Digital Beamforming
3> Hybrid Beamforming
Analog Beamforming
Per qualsiasi Phased Array, la separazione ideale tra gli elementi è lunghezza d'onda lambda/2. Il diagramma a blocchi mostra l’Analog Beamforming: ci sono quattro elementi Phased Array separati da lunghezza d'onda lambda/2. Per un segnale a 30 GHz, ci sarà una separazione di 5 mm tra gli elementi Phased Array.
Nell’Analog beamforming, lo sfasamento produce il cambiamento di fase del beamforming per generare un'interferenza costruttiva e ricevere e trasmettere il segnale focalizzando l'energia dal beam in una direzione particolare. Questo è tutto fatto a frequenza RF, di conseguenza è più sensibile alle perdite di interconnessione. Quindi il segnale dallo sfasatore va al combinatore/splitter di potenza, seguito da un up/down converter e dall'ADC/DAC verso la baseband. In questo caso per gli elementi N Phased Array è presente un solo Digital Front end. Come si vede nello schema a blocchi, per quattro elementi Phased Array, esiste un solo front-end digitale composto da ADC/DAC. Il vantaggio di questa architettura è il minor numero di componenti, e la minore dissipazione di potenza. Tuttavia, poiché lo sfasamento viene eseguito nelle bande RF, questo tipo di architettura di beamforming è più sensibile alle perdite di interconnessione e alla complessità nello sfasamento. (Figura 4)
Digital Beamforming
Il Beamforming digitale ha una up down conversion tradizionale nella frequenza della banda base e quindi viene eseguito lo sfasamento digitale. Questa architettura fornisce maggiore precisione poiché il beamforming digitale viene eseguito nel baseband.
Tuttavia, esiste un ADC/DAC per ciascun elemento del phased array il che determina un gran numero di componenti e un'elevata dissipazione di potenza. In questo caso per N elementi Phased Array sono presenti N estremità Digital Front. Come si vede nello schema a blocchi, per 4 elementi Phased Array, ci sono quattro front-end digitali composti da ADC/DAC. (Figura 5)
Hybrid Beamforming
Il beamforming ibrido che combina beamforming digitale e analogico è ottimale per phased array più grandi per ottenere l'efficienza del beamforming analogico con il minor numero di elementi, dissipazione di potenza e precisione del beamforming digitale. Come si vede nello schema a blocchi, per 4 elementi Phased Array, ci sono due front-end digitali costituiti da ADC/DAC. Rispetto al beamforming analogico c'era un solo front-end digitale ADC/DAC e con il beamforming digitale c'erano quattro front-end digitali ADC/DAC. (Figura 6)
Catena di segnali RF
La figura mostra lo schema a blocchi della catena di segnali 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 attraverso i filtri Saw. Il segnale desiderato viene quindi amplificato attraverso l'amplificatore a basso rumore con una cifra di rumore estremamente bassa per ridurre al minimo la degradazione nel rapporto segnale/rumore del segnale ricevuto. Quindi, viene convertito utilizzando un mixer. Il segnale dell'oscillatore locale (LO) viene generato utilizzando componenti PLL discreti che comprendono un rilevatore di frequenza di fase, un pre-scaler per fornire la frequenza LO al mixer per convertire il segnale in frequenza intermedia (IF), seguito dalla conversione da IF a banda base per l'elaborazione del segnale.
Nel trasmettitore, il segnale base-band viene convertito in IF e quindi nella frequenza RF desiderata. Il segnale RF viene amplificato utilizzando un amplificatore di potenza per trasmettere il segnale.
Figura di merito RF
La tabella qui sotto mostra la figura di merito RF e i vantaggi per i componenti utilizzati nello schema a blocchi RF.
Requisiti dei PA (Power Amplifier)
I Power Amplifier (PA) svolgono un ruolo chiave nel trasmettitore di applicazioni RF. Uno dei maggiori requisiti del PA è che possa operare nella sua regione lineare per ridurre al minimo la distorsione RF. I sistemi di comunicazione satellitare che utilizzano schemi di modulazione di ordine superiore come Quadrature Amplitude Modulation (QAM) 64/128/256 sono estremamente sensibili al comportamento non lineare.
Un'altra sfida consiste nel raggiungere un peak-to-average power ratio (PAPR) soddisfacente, ovvero il rapporto tra la massima potenza che il PA produrrà e la sua potenza media. PAPR determina la quantità di dati che possono essere inviati ed è proporzionale alla potenza media. Allo stesso tempo, la dimensione del PA necessaria per un determinato formato dipende dalla potenza di picco. I requisiti EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) 5G mmWave imposti dalla FCC includono la potenza di trasmissione EIRP di 43 dBm per i telefoni cellulari e la potenza trasportabile della stazione base di 55 dBm EIRP. Queste e altre sfide conflittuali possono essere affrontate solo con amplificatori di potenza GaN on SiC per comunicazioni satellitari, 5G, applicazioni aerospaziali e di difesa.
PA (Power Amplifier) al GaN (Gallium Nitride) su SiC (Silicon Carbide)
GaN on SiC ha la più alta densità di potenza per generare un'elevata potenza di uscita lineare ad alta efficienza. Gli amplificatori di potenza GaN on SiC possono funzionare ad alte frequenze nella banda Ka, Ku da 12 GHz a 40 GHz per la comunicazione satellitare, 5G e hanno ampie larghezze di banda, alto guadagno con migliori proprietà termiche, soddisfacendo i requisiti delle applicazioni RF. Microchip fornisce soluzioni RF utilizzando la tecnologia GaN on SiC che soddisfa i requisiti SWaP-C per i componenti. ICP2840 è un dispositivo di punta che opera sui 27,5-31 GHz fornendo una potenza di uscita a onda continua (CW) di 9 watt e una potenza di uscita pulsata di 10 watt con un guadagno di 22 dB e un incremento di efficienza di potenza del 22%.
Amplificatori di Potenza in Banda K di Microchip
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 di comunicazione satellitare e la banda di frequenza 5G a 28 GHz.
ICP2637 ha un'ampia larghezza di banda da 23–30 GHz e genera 5 watt di potenza in uscita in CW ed è offerto sia in un package QFN che in formato die.
ICP1445 genera 35 watt di potenza in uscita pulsata nella banda di frequenza 13-15,5 GHz.
ICP1543 opera nella banda Ku da 12 a 18 GHz generando una potenza di uscita in CW di 20 watt.
Questi PA hanno un elevato guadagno e un'efficienza aggiunta di potenza grazie all’utilizzo la tecnologia GaN on SiC e soddisfano i requisiti in banda Ku/Ka per applicazioni 5G, di comunicazione Satellitare, Aerospaziale e Difesa. GaN on SiC con la sua più alta densità di potenza fornisce le soluzioni di amplificatori di potenza ottimali per queste applicazioni.
