Od modułów 5G oczekuje się obsługi wielu pasm częstotliwości, zapewnienia wysokiej jakości sygnału i niezawodności transmisji. Oprócz tego ważna jest ich kompaktowość i małe straty mocy, ze względu na wymagania stawiane urządzeniom mobilnym, które z kolei podyktowane są trendem miniaturyzacji i dążeniem do wydłużania czasu pracy baterii. Moduły 5G zawierają wiele podzespołów takich, jak: wzmacniacze niskoszumne, wzmacniacze mocy, filtry akustyczne i przełączniki torów sygnałowych. Realizacja założeń specyfikacji sieci 5G i powyższych wymagań nakłada na nie szczególne wymagania.
Wzmacniacze niskoszumne
Wzmacniacze niskoszumne LNA (Low Noise Amplifier) są częścią odbiornika. LNA odpowiadają za wzmacnianie sygnału odebranego w antenie, bez wprowadzania dodatkowych szumów. O tym, w jakim stopniu ten warunek zostanie spełniony decyduje współczynnik szumów wzmacniacza (noise figure). W przypadku sieci 5G, zwłaszcza przy wyższych częstotliwościach, powinien on wynosić od 1 do 3 dB. Równie wysokie są wymagania w zakresie wzmocnienia, które powinno się mieścić w przedziale 15–20 dB i liniowości, która wyrażana współczynnikami P1dB (1 dB compression point) oraz OIP3 (3rd order intercept point) powinna wynosić, odpowiednio, co najmniej –20 i –35 dBm.
Ponieważ wzmacniacze oparte na krzemie nie są w stanie zapewnić takich parametrów na potrzeby modułów 5G, szczególnie tych do obsługi transmisji w wyższych częstotliwościach, wykorzystuje się nowe materiały i procesy technologiczne. Przykładem są krzemowo-germanowe heterozłączowe tranzystory bipolarne (Silicon-Germanium Heterojunction Bipolar Transistors, SiGe HBT). Oparte na nich wzmacniacze LNA osiągają współczynniki szumów i wzmocnienie, dzięki którym mogą konkurować z tranzystorami HEMT (High Electron Mobility Transistors) na bazie azotku galu (GaN) i tranzystorami GaAs HBT.
Wzmacniacze mocy
Wraz z rozwojem sieci 5G rosną wymagania stawiane wzmacniaczom mocy w zakresie sprawności energetycznej. Próbuje się im sprostać na kilka sposobów. W przypadku stacji bazowych korzysta się ze wzmacniaczy mocy w konfiguracji Dohertego. W urządzeniach mobilnych z kolei popularne jest połączenie wzmacniaczy mocy klasy E z techniką śledzenia obwiedni (envelope tracking).
Wzmacniacze tego typu charakteryzuje większa sprawność, niż wzmacniacze innych klas. Straty mocy w ich przypadku są na przykład nawet ponad dwukrotnie mniejsze, niż we wzmacniaczach mocy klas B i C, przy tej samej częstotliwości i mocy wyjściowej. Uzyskuje się to wprowadzając we wzmacniaczach mocy klasy E dodatkowy obwód rezonansowy. Jego funkcją jest kształtowanie przebiegów prądu i napięcia klucza tranzystorowego w taki sposób, by zredukować straty przełączania. Jest to osiągane dzięki zapobieganiu jednoczesnemu wystąpieniu napięcia i prądu w tranzystorze.
Wzmacniacze mocy klasy E
Celem w projektowaniu wzmacniaczy mocy jest zapewnienie wymaganej mocy wyjściowej, przy maksymalnej sprawności. Głównym źródłem strat jest element przełącznika. Ilościowo wyraża je iloczyn prądu i napięcia, uśredniony w cyklu przełączania. Będzie najmniejszy, jeśli równocześnie nie występuje napięcie i nie płynie prąd.
Teoretycznie jest tak w idealnym przełączniku, w którym kiedy na kluczu odkłada się napięcie, prąd przez niego nie płynie (przełącznik otwarty, o nieskończenie dużej rezystancji) i odwrotnie, przy zerowym napięciu, płynie maksymalny prąd (przełącznik zamknięty o zerowej rezystancji). To oznacza zerowe straty mocy w kluczu i dzięki temu maksymalną sprawność wzmacniacza mocy (100%). Na rys. 1a przedstawiono takie idealne przebiegi.
W praktyce jest to nieosiągalne. Wynika to stąd, że przełączenia między tymi dwoma stanami nie są natychmiastowe. W rzeczywistości występują przejściowe odcinki czasu, w których prąd i napięcie równocześnie mają niezerowe wartości (rys. 1b). Dlatego trzeba się liczyć z rozpraszaniem mocy w tranzystorze, a więc i ze spadkiem sprawności wzmacniacza.
Aby mimo nieuniknionego występowania odcinków przejściowych ograniczyć straty mocy stosuje się dwa rozwiązania: wzrost napięcia na tranzystorze opóźnia się do momentu, aż prąd zmaleje do zera, a napięcie na tranzystorze zmniejsza się do zera, zanim prąd zacznie rosnąć. Realizuje to wspomniany wcześniej obwód rezonansowy.
Klasa D vs klasa E
Ulepszenia wprowadzone we wzmacniaczach mocy klasy E można wyjaśnić przez ich porównanie do wzmacniaczy klasy D. Te drugie by uzyskać dużą sprawność wymagają kluczy tranzystorowych, które będą przełączane odpowiednio szybko w stosunku do częstotliwości pracy. Im jest większa, tym warunek ten jest trudniejszy do spełnienia. Straty wynikające z pojemności pasożytniczych również rosną wraz z częstotliwością. To stanowi dodatkowy problem
Rysunek 2 przedstawia wzmacniacz mocy klasy D. Kondensator Cp na tym schemacie symbolizuje pasożytnicze pojemności wyjściowe tranzystorów. Klucze te są na przemian włączane i wyłączane, co powoduje, że węzeł A jest przełączany pomiędzy zasilaniem a masą. Za każdym razem, gdy następuje przełączenie, ładowanie i rozładowywanie pojemności pasożytniczych skutkuje rozproszeniem pewnej ilości energii w postaci ciepła w rezystancjach włączenia kluczy. Ponieważ energia zmagazynowana w pojemności Cp nie jest przekazywana do obciążenia, moc pobierana z zasilania jest tracona. Całkowita moc strat z powodu ładowania i rozładowywania pojemności pasożytniczych wynosi:
gdzie f to częstotliwość przełączania.
Dla porównania, na rys. 3 przedstawiono schemat wzmacniacza klasy E. W układzie tym tranzystor jest podłączony do zasilania przez dławik L1, a do obciążenia przez obwód rezonansowy złożony z L0 i C0. Obwód jest uzupełniony o kondensator bocznikujący Csh. Energia w nim zmagazynowana nie jest rozpraszana na ciepło. W zamian jest kierowana do obciążenia. Odpowiednio dobrane elementy obwodu rezonansowego pozwalają na wspomniane wcześniej przesunięcie przebiegów napięcia i prądu podczas załączania i wyłączania klucza tranzystorowego, co ogranicza straty mocy przełączania.
Jak ograniczyć straty przełączania?
W obwodzie wzmacniacza mocy z obciążeniem czysto rezystancyjnym przebiegi napięcia i prądu podczas przełączania klucza będą miały postać jak na rys. 1b. Wynika z niego, że zmianie prądu odpowiada zmiana napięcia.
Jeżeli do obwodu rezonansowego zostanie dodany kondensator bocznikujący między przebiegami napięcia i prądu nastąpi przesunięcie w czasie. Opóźnienie to wynikać będzie ze zmiany napięcia na kondensatorze (ΔVc), która będzie odwrotnie proporcjonalna do jego pojemności:
Dla danego prądu I, dodatkowa pojemność C zmniejsza ΔVc w danym przedziale czasu Δt. Można więc uzyskać wymagane przesunięcie czasowe wybierając wystarczająco duży kondensator bocznikujący. Na rys. 4 pokazano, jak dodanie opóźnienia czasowego wpływa na przebiegi z rys. 1 b. Jak widać wówczas, niezerowe części przebiegów napięcia i prądu nie nakładają się podczas przełączenia ze stanu włączenia w stan wyłączenia (odcinki T1 i T3). Oznacza to brak strat mocy.
Jednocześnie można zauważyć, że teoretycznie przy przejściu ze stanu wyłączenia w stan włączenia odcinek, w którym niezerowe części przebiegów napięcia i prądu pokrywają się ulega wydłużeniu (odcinek T2). Dzięki obwodowi rezonansowemu w rzeczywistości we wzmacniaczach mocy klasy E straty mocy, które byłyby tym spowodowane również zostają eliminowane.
Wynika to stąd, że po otwarciu klucza energia zmagazynowana w cewce (L0) i kondensatorach (C0 i Csh) z czasem ulegnie rozproszeniu w rezystancji obciążenia RL (rys. 5), mimo jego odłączenia od zasilania. Jeżeli klucz będzie otwarty wystarczająco długo, napięcie na kondensatorze spadnie do zera zanim zostanie zamknięty. W przeciwieństwie do hipotetycznej sytuacji przedstawionej na rys. 4 eliminuje to nakładanie się przebiegów prądu i napięcia przełączania również podczas przejścia ze stanu wyłączenia w stan załączenia (rys. 6).
Śledzenie obwiedni
Aby sprostać rosnącym wymaganiom użytkowników pod względem prędkości transmisji danych w sieciach komórkowych czwartej i piątej generacji wykorzystuje się metody modulacji sygnału o dużej wydajności widmowej, pozwalające na osiągnięcie dużej przepustowości przy ograniczonych zasobach częstotliwości. Taką jest na przykład OFDM.
W związku z kształtem obwiedni sygnałów zmodulowanych w ten sposób w porównaniu do poprzednich generacji sieci komórkowych (rys. 7) charakteryzuje je większy współczynnik PAPR (Peak to Average Power Ratio). Ponieważ w przebiegach tych występują duże różnice między ich maksymalną, a średnią wartością we wzmacniaczu mocy, który jest zasilany tradycyjnie, tzn. ze stałego źródła napięcia, przy spadku zapotrzebowania na moc wyjściową jej nadmiar jest rozpraszany na ciepło (rys. 8 a). W efekcie transmisja sygnałów o dużym współczynniku PAPR odbywa się przy małej sprawności.
Technika śledzenia obwiedni polega na zmianie napięcia zasilania wzmacniacza mocy odpowiednio do obwiedni sygnału zmodulowanego. Dzięki temu wzmacniacz zawsze pracuje w stanie nasycenia, czyli z dużą sprawnością, nawet przy niskim poziomie mocy wyjściowej. Na rys. 9 przedstawiono uproszczony schemat blokowy układu wzmacniacza mocy ze śledzeniem obwiedni, którego częścią jest modulator. Na rys. 10 natomiast zamieszczono porównanie przebiegów napięcia zasilania w przypadku wzmacniaczy mocy zasilanych z napięcia stałego i napięcia regulowanego.
W drugim przypadku napięcie zasilania jest obniżane stosownie do niskiego poziomu obwiedni sygnału zmodulowanego, natomiast w pierwszym – nie zmienia się. W efekcie układ ze śledzeniem obwiedni pozwala w takich warunkach ograniczyć straty mocy. Z kolei przy wyższym poziomie obwiedni modulator odpowiednio zwiększa napięcie zasilania w porównaniu do wartości stałej. Dzięki temu wzmacniacz może dostarczyć większą moc wyjściową, co pozwala spełnić wymagania technik modulacji w sieciach 5G w zakresie szczytowej mocy wyjściowej.
Całkowitą sprawność η wzmacniacza mocy w układzie ze śledzeniem obwiedni wyraża wzór:
gdzie ηmod to sprawność modulatora, a ηwzm sprawność wzmacniacza mocy. Ponieważ ten ostatni zawsze pracuje w stanie nasycenia, niezależnie od poziomu obwiedni sygnału zmodulowanego, jego sprawność jest maksymalna. W związku z tym taka też jest całkowita sprawność η, o ile ηmod utrzymuje się na wysokim poziomie w całym zakresie zmian sygnału obwiedni.
Filtry BAW
We wcześniejszych generacjach sieci komórkowych sprawdzały się filtry SAW (Surface Acoustic Wave). Wykorzystuje się w nich zjawisko piezoelektryczne oraz powierzchniową propagację fal akustycznych. Piezoelektryki w filtrach tego typu służą do przekształcania energii elektrycznej w mechaniczną, przeniesienia jej w postaci fali akustycznej oraz konwersji odwrotnej, czyli energii mechanicznej w elektryczną. Przetworniki elektryczno-mechaniczne i mechaniczno-elektryczne mają postać metalowych elektrod, którym nadaje się palczasty kształt i które osadza się na materiale piezoelektrycznym. Filtry SAW można konstruować i stosować do częstotliwości około 2,5 GHz, dlatego dla sieci 5G poszukuje się alternatywy.
Taką stanowią filtry BAW (Bulk Acoustic Wave), w których fala akustyczna propaguje wewnątrz piezoelektryka. Elektrody są osadzone na powierzchni oraz na spodzie tego materiału. Między nimi tworzy się kanał dla fal akustycznych, które w nim rezonują. Powstała fala stojąca ma częstotliwość rezonansową, która zależy od grubości podłoża (im jest cieńsze, tym większa częstotliwość) oraz grubości i typu metalizacji. Wyróżnia się dwa typy struktur BAW: rezonatory FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) oraz SMR (Solidly Mounted Resonator). W tych drugich na spodzie umieszcza się akustyczny reflektor Bragga. Najpopularniejszy materiał podłoży BAW to azotek aluminium. Elektrody z kolei wykonuje się z aluminium i m.in. wolframu przy większych mocach.
Podstawowa struktura rezonatora SMR BAW została przedstawiono na rys. 11. Składa się z cienkiej warstwy materiału piezoelektrycznego umieszczonej między dwoma metalowymi elektrodami cienkowarstwowymi. Po ich zasileniu pole elektryczne między nimi wzbudza falę akustyczną. Ta odbija się od powierzchni elektrod, między którymi tworzy się wnęka akustyczna. Naprzemienne warstwy o małej i dużej impedancji akustycznej pod warstwą piezoelektryka i elektrodami tworzą akustyczny reflektor Bragga ograniczający energię w kierunku pionowym. Rezonatory projektuje się tak, aby ograniczać emisję energii akustycznej z boków, minimalizować wycieki akustyczne i tłumić niepożądane mody fali. Ważną zaletą w zastosowaniach mobilnych jest fakt, że ciepło w filtrach tego typu może być efektywnie rozpraszane przez reflektor Bragga.
Przełączniki RF SOI
Przełączniki w modułach komunikacyjnych odpowiadają za przełączanie wejścia antenowego pomiędzy sekcją odbiornika i nadajnika, czyli w pierwszym przypadku za przekierowanie sygnału z anteny do wzmacniacza LNA, zaś w drugim, po wzmocnieniu we wzmacniaczu mocy, do wyjścia antenowego. Od komponentów tego typu wymaga się: małych straty mocy sygnału, zapewnienia separacji między wejściami, odpowiedniej szybkości przełączania.
W moduły 5G wbudowuje się przełączniki w technologii SOI (Silicon on Insulator). Tradycyjne podłoże krzemowe zostaje w tym przypadku zastąpione przez podłoże wzmocnione, składające się z trzech warstw. Pierwszą, górną część stanowi warstwa krzemu, w której zostaje wytworzona struktura układu. Kolejną warstwą jest izolator – tlenek krzemu (SiO2). Ostatnią warstwę stanowi cienka warstwa krzemu, która zapewnia mechaniczne wzmocnienie dla dwóch pozostałych warstw (rys. 12).
Ze względu na grubość warstwy krzemu wyróżnia się konstrukcje SOI FD (Fully-Depleted) oraz SOI PD (Partially-Depleted). W pierwszej warstwa Si jest znacznie cieńsza. Do zalet komponentów wykonanych w technologii SOI zalicza się: zmniejszenie pojemności pasożytniczych, co pozwala na pracę przy wyższych częstotliwościach, dobrą izolację, która pozwala na umieszczanie wielu przełączników bliżej siebie, niewystępowanie zjawiska latch-up, mniejsze straty mocy.
Monika Jaworowska
