Los sistemas RF necesitan amplificadores de potencia (PA) que proporcionen una alta potencia de salida lineal y eficiente. A medida que los sistemas pasan a esquemas de modulación de orden superior, como la modulación de amplitud en cuadratura 64/128/256 (QAM - Quadrature Amplitude Modulation), también deben ofrecer una alta linealidad y eficiencia en entornos más densos con una estricta relación pico-potencia media (PAPR-Peak to Average Power Ratio). Una nueva generación de PAs de nitruro de galio (GaN) sobre circuitos integrados monolíticos de microondas (MMIC-Monolithic Microwave Integrated Circuits) de carburo de silicio (SiC) ofrece una solución a estos retos con la mayor densidad de potencia para generar una elevada potencia de salida lineal con alta eficiencia.

Este artículo profundiza en los requisitos de las aplicaciones 5G, de comunicaciones por satélite, aeroespaciales y de defensa, incluyendo los diferentes tipos de arquitecturas de formación de haces y cómo los amplificadores de potencia de GaN sobre SiC están resolviendo los retos de comunicación en estas aplicaciones RF.

Oportunidades y retos de los amplificadores de potencia RF

Las mayores oportunidades de crecimiento y desafíos para los amplificadores de potencia RF se encuentran en las comunicaciones por satélite, así como en las soluciones emergentes de comunicaciones 5G. La NASA ha permitido a las empresas del sector privado lanzar miles de satélites de órbita terrestre baja (LEO-Low Earth Orbit) que ahora giran alrededor de la Tierra y ofrecen acceso a Internet de banda ancha, navegación, vigilancia marítima, teledetección y otros servicios. Estas aplicaciones de radiofrecuencia buscan sistemáticamente ventajas de tamaño, peso, potencia y coste (SWaP-C). Las grandes antenas parabólicas están siendo sustituidas por antenas phased array para comunicaciones por satélite que requieren componentes de menor tamaño para su integración, así como componentes de menor peso. La alta potencia de RF, que es lineal con altos P1dB e IP3, para reducir la distorsión y es eficiente con alta PAE para minimizar el consumo de energía, es esencial para estas aplicaciones RF.

Comunicaciones 5G de onda milimétrica

Las nuevas generaciones de soluciones de comunicación 5G de onda milimétrica, gracias a su velocidad, ancho de banda ultraamplio y baja latencia para la comunicación de banda ancha, están aumentando sustancialmente la cantidad de información que se puede compartir en apoyo de la toma de decisiones en tiempo real y otras aplicaciones militares. Los sistemas 5G que operan en bandas de frecuencia más bajas (por debajo de 6 GHz) han sido vulnerables a las señales de interferencia de alta potencia, pero los sistemas 5G de ondas milimétricas (24 GHz y superiores) están llevando las redes 5G a aplicaciones tanto en el campo de batalla como fuera de él con la banda de ondas milimétricas, que no es tan vulnerable a las señales de interferencia de alta potencia. Algunos ejemplos son las redes de sensores militares para la recopilación de datos de mando y control, y las pantallas de realidad aumentada que mejoran el conocimiento de la situación para pilotos y soldados de infantería. La 5G también permitirá soluciones de realidad virtual para el control remoto de vehículos en misiones aéreas, terrestres y marítimas. Fuera de entornos militares, la 5G permitirá diversas aplicaciones de almacenamiento inteligente, telemedicina y transporte de tropas.

Bandas de frecuencia de ondas milimétricas 5G:

Diferentes países tienen diferentes bandas para 5G mmWave. En Estados Unidos, 28 GHz fue la primera banda 5G mmWave desplegada, a la que sigue 39 GHz. China está desplegando 5G mmWave en la banda de 24,25 - 27,5 GHz y se ha quedado atrás en la adopción de 5G mmWave.

Arquitectura de la red 5G

La red 5G se compone de macroestaciones base y celdas pequeñas. Las macroestaciones base están conectadas a la red central mediante enlaces Back haul mmWave o de fibra óptica. Las macroestaciones base pueden hablar directamente con los teléfonos móviles de los equipos de usuario o con las celdas pequeñas, que hablan con los dispositivos móviles de los equipos de usuario y proporcionan la conectividad de última milla. Hay picoceldas y femtoceldas que proporcionan conectividad de red dentro de edificios de oficinas donde la conexión puede ser débil o donde hay una alta densidad de usuarios.

Las femtoceldas suelen instalarse por el usuario para mejorar el área de cobertura en un entorno pequeño, como una oficina doméstica o una zona muerta dentro de un edificio. Las femtoceldas están diseñadas para soportar sólo un puñado de usuarios y sólo son capaces de gestionar unas pocas llamadas simultáneas; tienen una potencia de salida muy baja, de hasta 0,2 vatios.

Las picoceldas ofrecen mayores capacidades y áreas de cobertura, soportando hasta 100 usuarios en un rango de hasta 300 metros. Las picoceldas suelen desplegarse en interiores para mejorar la cobertura inalámbrica y celular deficiente dentro de un edificio, como una planta de oficinas o un local comercial. Las picoceldas pueden desplegarse temporalmente en previsión de un tráfico intenso en una zona limitada, como un acontecimiento deportivo, pero también se instalan como elemento permanente de las redes móviles celulares en una red heterogénea que trabaja en conjunción con macroceldas para ofrecer cobertura ininterrumpida a los usuarios finales. Tienen una potencia de salida de hasta 2 vatios.

Estaciones base macro: son grandes estaciones base que cubren un área > km y tienen una potencia de salida de hasta > 100 vatios.

Aplicación de comunicación por radar:

Los sistemas de radar operan en la banda L de 1 Gigahercio (GHz) a 2 GHz para aplicaciones que incluyen «identificar amigo o enemigo», equipos de medición de distancia y seguimiento y vigilancia. La banda S (de 2 GHz a 4 GHz) se utiliza para aplicaciones de respuesta selectiva en modo S y para sistemas de radar meteorológico. La banda X (de 8 GHz a 12 GHz) se utiliza para radares meteorológicos y de aeronaves, mientras que la banda C (de 4 GHz a 8 GHz) se emplea para 5G y otras aplicaciones de comunicaciones por debajo de 7 GHz. 5G mmWave proporciona los mayores anchos de banda y velocidades de datos, operando en bandas de frecuencia de 24 GHz y superiores. Las comunicaciones por satélite para LEO y la comunicación geosíncrona operan en la banda K, que abarca de 12 GHz a 40 GHz.

Formación de haces de RF

Los distintos tipos de arquitecturas de formación de haces de antenas en fase que se utilizan en estas aplicaciones de RF son:
1> Analog Beamforming (formación de haz analógico)
2> Digital Beamforming (formación de haz digital)
3> Hybrid Beamforming (formación de haz híbrido)

Analog Beamforming

Para cualquier Phased Array, la separación ideal entre elementos es de longitud de onda lambda dividido entre 2.
El diagrama de bloques muestra Analog Beamforming: Hay cuatro elementos Phased Array separados por la longitud de onda Lambda dividido entre 2. Para una señal de 30 GHz, la separación entre los elementos Phased Array será de 5 mm. En Analog Beamforming, el desplazador de fase realiza la formación del haz cambiando la fase para realizar una interferencia constructiva para recibir y transmitir la señal enfocando la energía del haz en una dirección determinada. Todo esto se realiza en la frecuencia RF, por lo que es más sensible a las pérdidas de interconexión. A continuación, la señal del desfasador pasa al combinador/divisor de potencia, seguido de un convertidor ascendente y descendente y un ADC/DAC a la banda base. En este caso, para N elementos Phased Array sólo hay un Front End Digital. Como se ve en el diagrama de bloques, para 4 elementos Phased Array, sólo hay un Front End Digital compuesto por ADC/DAC. La ventaja de esta arquitectura es el menor número de componentes y la menor disipación de potencia. Sin embargo, como el cambio de fase se realiza en bandas RF, este tipo de arquitectura de beamforming es más sensible a las pérdidas de interconexión y a la complejidad del cambio de fase.

Digital Beamforming

El Digital Beamforming tiene una conversión tradicional ascendente y descendente a la frecuencia de banda base y, a continuación, se realiza el desplazamiento de fase digital. Esta arquitectura proporciona más precisión, ya que el Digital Beamforming se realiza en la banda base. Sin embargo, hay un ADC/DAC para cada elemento del phased array, lo que se traduce en un gran número de componentes y una elevada disipación de potencia. En este caso, para N elementos phased array hay N Front Ends digitales. Como se puede ver en el diagrama de bloques, para 4 elementos Phased Array, hay 4 Front Ends digitales que comprenden ADC/DACs.

Hybrid Beamforming:

El Hybrid Beamforming que combina Analog y Digital Beamforming óptima para matrices en fase más grandes para obtener la eficiencia de Analog Beamforming con menos número de elementos, disipación de potencia y precisión de Digital Beamforming. Como se observa en el diagrama de bloques, para 4 elementos de phased array hay 2 Front Ends digitales compuestos por ADC/DAC. En comparación con Analog Beamforming, sólo había un único Front End ADC/DAC digital y con Digital Beamforming había 4 Front Ends ADC/DAC digitales.

Cadena de señal RF

La figura muestra el diagrama de bloques de la cadena de señal RF. En el receptor, la señal RF entra a través de la antena, pasa por un diodo limitador, seguido de un conmutador y la frecuencia RF deseada se selecciona a través de los filtros de sierra. A continuación, la señal deseada se amplifica a través del amplificador de bajo ruido con una figura de ruido extremadamente baja para minimizar la degradación de la relación señal/ruido de la señal recibida. A continuación, se reduce mediante un mezclador. La señal del oscilador local (LO) se genera utilizando componentes PLL discretos que comprenden el detector de frecuencia de fase, pre-escalador para proporcionar la frecuencia LO al mezclador para convertir la señal a frecuencia intermedia (IF), seguido de la conversión de IF a banda base para el procesamiento de la señal.

En el transmisor, la señal de banda base se convierte a FI y, a continuación, a la frecuencia RF deseada. La señal RF se amplifica utilizando un amplificador de potencia para transmitir la señal.

Figura de mérito RF

La tabla muestra la figura de mérito RF y las ventajas de los componentes utilizados en el diagrama de bloques RF.

Requisitos de los amplificadores de potencia (PA)
Los Amplificadores de Potencia (PAs) desempeñan un papel fundamental en el transmisor de las aplicaciones RF. Uno de los mayores requisitos de los PA es que puedan funcionar en su región lineal para minimizar la distorsión RF. Los sistemas de comunicaciones por satélite que utilizan esquemas de modulación de orden superior, como la modulación de amplitud en cuadratura (QAM) 64/128/256, son extremadamente sensibles al comportamiento no lineal. Otro reto es conseguir una relación pico-potencia media (PAPR) satisfactoria, es decir, la relación entre la potencia más alta que producirá el PA y su potencia media. La PAPR determina la cantidad de datos que pueden enviarse y es proporcional a la potencia media. Al mismo tiempo, el tamaño del PA necesario para un formato determinado depende de la potencia de pico. Los requisitos de potencia isotrópica radiada efectiva (EIRP) de 5G mmWave exigidos por la FCC incluyen una potencia de transmisión de 43dBm EIRP para los terminales móviles y una potencia transportable de estación base de 55dBm EIRP. Estos y otros retos conflictivos solo pueden superarse con amplificadores de potencia de GaN sobre SiC para aplicaciones de comunicación por satélite, 5G, aeroespaciales y de defensa.
Amplificadores de potencia de nitruro de galio (GaN) sobre carburo de silicio (SiC):
El GaN sobre SiC tiene la mayor densidad de potencia para generar una alta potencia de salida lineal con una alta eficiencia. Los amplificadores de potencia de GaN sobre SiC pueden funcionar a altas frecuencias en las bandas Ka, Ku de 12 GHz a 40 GHz para comunicación por satélite, 5G y tienen amplios anchos de banda, alta ganancia con mejores propiedades térmicas, cumpliendo los requisitos de las aplicaciones RF. Microchip ofrece soluciones RF con tecnología GaN sobre SiC que cumplen el requisito SWaP-C para componentes. El ICP2840 es un dispositivo emblemático que funciona en 27,5-31 GHz y proporciona una potencia de salida de onda continua (CW) de 9 vatios y una potencia de salida pulsada de 10 vatios con una ganancia de 22 dB y una eficiencia de potencia añadida del 22%.

Amplificadores de potencia de banda K de Microchip

ICP2840 genera una potencia de salida de onda continua de 9 W en la banda Ka de 27,5-31 GHz para la frecuencia de enlace ascendente para la comunicación por satélite, así como en la banda de frecuencia 5G de 28 GHz.

ICP2637 tiene un amplio ancho de banda de 23-30 GHz y genera 5 vatios de potencia de salida de onda continua y se ofrece en un paquete QFN, así como en forma de troquel.

ICP1445 genera una potencia de salida pulsada de 35 vatios en la banda de frecuencias de 13-15,5 GHz.

ICP1543 funciona en la banda Ku de 12 a 18 GHz y genera 20 vatios de potencia de salida en onda continua.

Estos PA tienen una alta ganancia y eficiencia de potencia añadida utilizando tecnología GaN sobre SiC y cumplen los requisitos en la banda Ku/Ka para aplicaciones 5G, de comunicación por satélite, aeroespaciales y de defensa. GaN sobre SiC, con su mayor densidad de potencia, proporciona las soluciones óptimas de amplificadores de potencia para estas aplicaciones.

Figura 11: Los amplificadores de potencia MMIC de GaN sobre SiC en banda Ku Ka de Microchip Technology incluyen el ICP2840, que genera 9 W de potencia de salida de onda continua en la banda Ka de 27,5 - 31 GHz para enlace ascendente.

Autor: Por Baljit Chandhoke, Product Manager de productos de RF de Microchip Technology