Благодаря ускоренному коммерческому развертыванию 5G-Advanced и постоянному прогрессу в предварительных исследованиях 6G системы мобильной связи быстро развиваются в сторону более высоких частотных диапазонов, более широкой полосы пропускания, более высокой интеграции и более низкого энергопотребления. В качестве основного звена систем беспроводной связи верхний предел производительности радиочастотных интерфейсов напрямую определяет емкость покрытия, скорость передачи и энергоэффективность сетей.

С точки зрения совместного проектирования устройств с активной мощностью и пассивных высокочастотных компонентов в этой статье анализируются текущие проблемы широкополосного доступа, высокой эффективности и миниатюризации, с которыми сталкиваются радиочастотные интерфейсы, сочетая комплексную эволюцию полупроводниковых силовых MMIC третьего поколения и решающую роль многослойных керамических конденсаторов с высокой добротностью в сетях радиочастотного согласования и фильтрации. В этом документе также обсуждается инженерная ценность совместной оптимизации на уровне устройств для улучшения общей производительности радиочастотных систем и рассматриваются тенденции развития технологий радиочастотных устройств в эпоху 6G.

От крупномасштабного развертывания макробазовых станций 5G до реализации возможностей нисходящей линии связи 10 Гбит/с в 5G-A и определенных технических направлений 6G, таких как терагерцовый диапазон и интеллектуальные отражающие поверхности, каждое поколение итераций мобильной связи предъявляет все более строгие требования к производительности радиочастотных интерфейсов. В настоящее время перед отраслью стоят три основные задачи:

Первая – это проблема широкополосной связи. Потребность в междиапазонном агрегировании несущих в 5G-A и полнодиапазонном покрытии ниже 10 ГГц в 6G требует, чтобы усилители мощности РЧ имели широкую мгновенную полосу пропускания. Сложность проектирования согласования сетей с традиционными дискретными устройствами значительно возросла, а частотные характеристики пассивных устройств напрямую ограничивают предел полосы пропускания систем.

Вторая проблема – это проблема энергоэффективности. В рамках цели «двойного углерода» энергоэффективность базовых станций стала основным показателем оценки для операторов. Оптимизация архитектур Доэрти и технологий цифрового предыскажения постепенно приблизилась к теоретическому узкому месту. Дальнейшее повышение энергоэффективности должно распространяться и на сторону устройств, при этом одновременно предпринимаются усилия как по итерации процесса активных микросхем, так и по оптимизации потерь пассивных устройств.

Третье – это проблема миниатюризации. По мере увеличения количества каналов Massive MIMO с 64 до 128 внутреннее пространство активных антенных блоков (AAU) продолжает сокращаться. Интеграция устройств, поверхностный монтаж и миниатюризация стали неизбежными тенденциями, выдвигающими более высокие требования к надежности корпуса, согласованности и совместимости устройств при автоматизированной сборке.

В этом контексте повышение производительности одного устройства больше не может отвечать требованиям системного уровня. Совместная разработка и совместный выбор устройств активной мощности и пассивных высокочастотных устройств стали важным путем к повышению производительности радиочастотных интерфейсов.

В качестве основного активного устройства ВЧ-интерфейсов технический маршрут усилителей мощности быстро смещается от решений на дискретных транзисторах к полностью интегрированным решениям MMIC. Полупроводниковые силовые устройства третьего поколения, представленные процессами LDMOS и GaN, не только постоянно улучшают напряжение пробоя и выходную мощность, но и глубоко продвигают архитектурную интеграцию.

В качестве примера возьмем трехкаскадную полностью интегрированную MMIC Doherty для диапазона 5G 3,3–3,8 ГГц. Традиционные дискретные решения Доэрти требуют внешних делителей мощности, сумматоров, нескольких наборов согласующих цепей и схем смещения, что приводит к большому количеству компонентов спецификации, большой площади печатной платы и сложному контролю согласованности сборки, что напрямую влияет на производительность и стабильность производительности при массовом производстве. Напротив, полностью интегрированная MMIC Doherty объединяет несущие транзисторы, пиковые транзисторы, делители входной мощности, сумматоры выходной мощности и встроенные схемы предварительного согласования на одном кристалле, обеспечивая входное сопротивление 50 Ом и стандартизированное выходное сопротивление, что значительно снижает сложность проектирования внешнего согласования.

Основная ценность таких интегрированных устройств заключается не только в уменьшении размера, но и в воспроизводимости производительности. Встроенные в кристалл схемы согласования точно откалиброваны производителем и обеспечивают гораздо лучшую межканальную согласованность, чем решения, построенные на дискретных устройствах. Между тем, они поддерживают независимое управление смещением для несущих и пиковых трактов, позволяя гибко регулировать баланс между эффективностью и линейностью для различных сценариев применения, идеально адаптируясь к разнообразным требованиям макростанций 5G, микростанций и активных антенн Massive MIMO.

В радиочастотных входных системах пассивные устройства часто упускаются из виду, но характеристики цепей согласования импеданса, схем обходных фильтров и схем связи/блокировки постоянного тока в конечном итоге определяют фактическую эффективность, линейность и эксплуатационную стабильность систем усилителей мощности. Среди них многослойные радиочастотные керамические конденсаторы (MLCC), как одни из наиболее широко используемых пассивных устройств, имеют добротность, эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) и точность емкости, которые напрямую влияют на вносимые потери и согласованность параметров согласующих цепей.

В качестве примера можно привести высокодобротные керамические высокочастотные конденсаторы серии 100B, в которых используется фарфоровый диэлектрический материал с температурным коэффициентом P90 в сочетании с плотным процессом спекания керамики и конструкцией структуры с низкой паразитной индуктивностью. Они могут обеспечить гораздо более высокую добротность и меньшие вносимые потери в высокочастотных диапазонах, чем обычные MLCC. В согласующих сетях мощных радиочастотных усилителей мощности они могут эффективно снизить выделение тепла и потери эффективности, вызванные пассивными потерями, а также повысить общую эффективность стока усилителей мощности.

Для сценариев с различными требованиями к точности высокодобротные ВЧ-конденсаторы образуют полный градиент допуска: устройства с классом точности ±1% подходят для сетей точного согласования и сценариев с высокими требованиями к линейности, обеспечивая согласованность параметров между каналами при массовом производстве и снижая затраты на калибровку и отладку; устройства с допусками ±2% и ±5% обеспечивают баланс между производительностью и стоимостью соответственно и адаптируются к различным классам промышленного и гражданского радиочастотного оборудования. Между тем, номиналы выдерживаемого высокого напряжения 500 В и выше могут идеально адаптироваться к высоковольтным цепям смещения мощных усилителей мощности. В сочетании с высоконадежной технологией терминирования с использованием оловянных выводов они могут соответствовать эксплуатационным требованиям в широком диапазоне температур от -55°C до +175°C и адаптироваться к суровым условиям применения, таким как базовые станции, радары и аэрокосмическая промышленность.

В практическом инженерном проектировании выбор устройств активной мощности и пассивных устройств самостоятельно не осуществляется. Совместное согласование между ними является ключом к достижению оптимальной производительности системы.

Во-первых, это совместная разработка согласования импедансов. Характеристики выходного сопротивления силовых MMIC определяют топологию и параметры компонентов согласующих сетей. Параметры ESR и ESL конденсаторов с высокой добротностью необходимо включать в общую модель согласования, а не использовать только модели идеальных конденсаторов. Совместное моделирование с использованием пассивных устройств с высокой добротностью и измеренными моделями может значительно улучшить согласованность между результатами моделирования и реальными испытаниями, сократить количество итераций проектирования и сократить циклы исследований и разработок продукта.

Во-вторых, это совместный контроль толерантности и последовательности. Интегрированные силовые MMIC имеют высокую согласованность параметров. Если допуск согласующих конденсаторов слишком велик, это станет основным источником колебаний производительности всей линии связи. При проектировании высокоточных радиочастотных каналов использование высокодобротных конденсаторов с допуском ±1% в сочетании со встроенными MMIC позволяет контролировать колебания межканального усиления в очень небольшом диапазоне, что значительно снижает нагрузку на калибровку многоканальных систем Massive MIMO.

В-третьих, это совместное согласование надежности. В сценариях с высокой мощностью РЧ температура перехода силовых транзисторов передается окружающим пассивным устройствам через печатные платы, в то время как высоковольтные цепи смещения оказывают долговременное напряжение на конденсаторы. Выбор ВЧ-конденсаторов с широким температурным диапазоном, устойчивостью к высокому напряжению и высокой надежностью согласования может соответствовать уровню надежности силовых устройств, не допускать того, чтобы пассивные устройства стали причиной короткого срока службы системы, и обеспечивать стабильность оборудования в течение длительного срока службы.

В эпоху 6G радиочастотные интерфейсы будут развиваться в сторону более высоких частотных диапазонов, более высокой интеграции и более высокого интеллекта, а технологии устройств также откроют новый виток трансформации.

На уровне процесса устройства такие процессы, как GaN-на-SiC и GaN-на-алмазе, будут продолжать повторяться, что еще больше улучшит плотность мощности и способность рассеивания тепла для поддержки выходной мощности в терагерцовом диапазоне. Что касается пассивных устройств, диэлектрические материалы и конструкции конструкций с более высоким коэффициентом добротности и меньшими паразитными параметрами станут в центре внимания исследований и разработок для удовлетворения потребностей с низкими потерями в миллиметровом и терагерцовом диапазонах.

На уровне формы интеграции граница между активными и пассивными компонентами будет еще более размыта. Радиочастотная система в корпусе (SiP), основанная на гетерогенной интеграции и технологии 3D-упаковки, станет основным направлением, объединяющим усилители мощности, малошумящие усилители, фильтры, согласующие конденсаторы и пассивные сети в единый корпус для реализации миниатюризации и стандартизации радиочастотных интерфейсов.

На уровне приложений базовые технологии 6G, такие как реконфигурируемые радиочастотные интерфейсы и интеллектуальные отражающие поверхности, будут выдвигать новые требования к настраиваемости и скорости отклика устройств. Сочетание перестраиваемых пассивных устройств с высокой добротностью и широкополосных реконфигурируемых устройств питания станет важным направлением будущих технических исследований.

Радиочастотные и микроволновые технологии лежат в основе индустрии беспроводной связи. Каждый скачок в развитии поколений связи неотделим от технологических прорывов и инженерных инноваций радиочастотных устройств. В критический период углубления коммерческого развертывания 5G-A и ускорения предварительных исследований 6G преодоление ограничений производительности отдельных устройств и содействие совместному проектированию и совместной оптимизации устройств с активной мощностью и пассивных устройств с высоким добротностью с системной точки зрения является эффективным способом преодолеть узкое место в производительности радиочастотных интерфейсов и повысить общую конкурентоспособность отрасли. Мы также надеемся на углубленный обмен мнениями между коллегами по отрасли в области исследований и разработок устройств, проектирования схем, системного применения и других аспектов, чтобы совместно способствовать непрерывному прогрессу радиочастотных и микроволновых технологий и заложить прочную аппаратную основу для технологий мобильной связи следующего поколения.