Leistungsverstärker für Anwendungen im Millimeterwellenbereich

Höhere drahtlose Datenübertragungsraten wurden bisher durch immer komplexere Modulationsverfahren erreicht, die zusätzliche Bits in dieselben Frequenzbereiche komprimierten. Da dieser Ansatz nun an praktische Grenzen stößt, wird die Zukunft eher von größeren Bandbreiten als von einer dichteren Modulation abhängen, unabhängig davon, ob es um die Entwicklung kommerzieller 5G-Durchsatzanwendungen oder militärischer Verbindungen mit hoher Kapazität geht. Diese Verschiebung drängt die Entwickler in das mmWave-Spektrum (mmWave = Millimeterwellen), wo ein reichhaltiges Spektrum neue Möglichkeiten eröffnet, aber auch ganz andere Herausforderungen an das Design stellt.

Die 5G-Kommunikationssysteme profitieren von jahrelanger Forschung, die ursprünglich von Verteidigungsunternehmen durchgeführt wurde. So wird beispielsweise die Technologie der phasengesteuerten Antennen, die eine Strahlsteuerung und die gleichzeitige Verfolgung mehrerer Ziele ermöglicht, in 5G-Anwendungen weithin eingesetzt, um gleichzeitige Datenströme an mehrere Nutzer zu übertragen. Kommerzielle Systeme arbeiten zunehmend in Bändern wie 28 GHz und 39 GHz, um die erforderliche Bandbreite für Multi-Gigabit-Verbindungen zu erreichen.

Unternehmen wie Analog Devices, Inc. haben ihr mmWave-Fachwissen aus Anwendungen in der Verteidigungsindustrie genutzt, um Standardkomponenten zu liefern, die sowohl den Leistungsanforderungen der Verteidigungsindustrie als auch der für die kommerzielle Infrastruktur erforderlichen Herstellbarkeit entsprechen. Die fortschrittliche Oberflächenmontage von Hochfrequenz-ICs hat entscheidend dazu beigetragen, dass 5G zur Masseneinführung gebracht werden konnte.

Sowohl die 5G- als auch die Verteidigungsindustrie sind auf fortschrittliche Hochfrequenz-Hardware angewiesen. Während 5G-Netze für bestimmte, schmale Frequenzbereiche optimiert sind, um den Durchsatz zu maximieren, benötigen militärische Anwendungen wie die elektronische Kampfführung (EW) große Betriebsbandbreiten, um die spektrale Wahrnehmung sicherzustellen. Trotz dieser Unterschiede hat das Streben nach großen Modulationsbandbreiten bei 5G zu einem symbiotischen Produktionsvorteil geführt.

Die Konvergenz dieser Sektoren in der mmWave-Technologie hat den für die kommerzielle Nutzung erforderlichen Fertigungsumfang ermöglicht. Darüber hinaus konnten die Kosten für die Entwicklung militärischer Anwendungen, die bisher auf die teuren Chip- und Drahtmontageverfahren mit geringen Stückzahlen angewiesen waren, erheblich gesenkt werden.

Diese Größenordnung beruht auf hochintegrierten Hochfrequenz-ICs (RFICs), Phased-Array-Modulen und zugänglichen Testlösungen, die zunehmend auch für kleinere Entwicklungsbüros verfügbar sind, die in der Vergangenheit nicht über das Budget oder die Spezialisierung der großen Verteidigungsunternehmen verfügten.

Die gegenseitige Befruchtung hat auch eine gemeinsame Testinfrastruktur hervorgebracht. In der Vergangenheit waren für die Prüfung von Phased-Array-Antennen bei 28 GHz und 39 GHz große, kostspielige schalltote Räume erforderlich. Die flächendeckende Einführung von 5G führte zur Entwicklung erschwinglicher, serienmäßiger OTA-Testlösungen, die Verteidigungsunternehmen zur schnellen Lösung von Produktentwicklungsproblemen ohne erhebliche Kapitalinvestitionen nutzen können. Die Verfügbarkeit bewährter, anwendungsbereiter Bausteine ermöglicht es Designbüros jeder Größe, mmWave als überschaubares Subsystem zu betrachten, wodurch es einfacher wird, eine vielversprechende mmWave-Anwendung vom Blockdiagramm zur einsatzfähigen Hardware zu bringen.

Spektrum der Innovationen

Seit mehreren Jahrzehnten gibt es bei der drahtlosen Innovation zwei grundverschiedene Ansätze: die Codierung von mehr Informationen in jedem einzelnen Signalzustand (Symbol) oder die Erweiterung des für die Übertragung von Informationen verfügbaren Spektralraums.

Bei einfacheren Modulationsverfahren stehen Robustheit und Signalintegrität im Vordergrund, während komplexere Verfahren den Datendurchsatz durch die Übertragung zusätzlicher Bits pro Symbol erhöhen. Bei der Basismodulation wird jedes Symbol mit einer kleinen Informationsmenge, etwa einem einzelnen Bit, dargestellt. Entwickler können die Systemleistung verbessern, indem sie mehr Informationen pro Symbol mit komplexeren Modulationsverfahren wie QAM kodieren oder auf breitere Spektralkanäle in höherfrequenten mmWave-Bändern zugreifen.

Die Modulation bestimmt, wie die Daten auf einen Träger gepackt werden, aber erst der Leistungsverstärker (PA) sorgt dafür, dass die Datenbits ihr Ziel erreichen. Im kommerziellen 5G-Bereich legen PAs den Schwerpunkt auf Effizienz und Linearität innerhalb bestimmter Frequenzbänder, um Phased Arrays mit hohem Durchsatz zu unterstützen. Militärische Systeme zielen jedoch in der Regel auf einen breiteren Frequenzbereich und mehr Leistung ab, um die Klarheit des Radars, die Satellitenkommunikation und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern.

Selbst bei immer ausgefeilterer Modulation gibt es grundsätzliche Grenzen dafür, wie viele Daten in einem bestimmten Trägerfrequenzband (F_C) übertragen werden können. Ein Schlüsselprinzip ist, dass der Datendurchsatz direkt an die Breite des Kanals, d.h. die Bandbreite des modulierten Signals (F_BW), gebunden ist. Um höhere Datenraten zu erreichen, sind breitere Trägerfrequenzkanäle erforderlich, ähnlich wie beim Wechsel von einer überfüllten einspurigen Straße zu einer zehnspurigen Autobahn (Abbildung 1).

Abbildung 1: Eine Darstellung der Modulationsbandbreite, zentriert auf eine Trägerfrequenz. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Außerdem ist die Gleichstromgrenze zu beachten, die vorschreibt, dass ein Signal nicht unter 0 Hz liegen darf. Wenn ein Signal moduliert wird, breitet es sich um seine Trägerfrequenz herum aus, was Ingenieure als Seitenbänder bezeichnen. Wenn die Trägerfrequenz jedoch zu niedrig ist, würde ein Teil dieses Signals theoretisch unter diese Grenze reichen, was physikalisch unmöglich ist. Daher müssen die Ingenieure die Trägerfrequenz auf höhere Frequenzen anheben, z. B. in den mmWave-Bändern, um sicherzustellen, dass das vollständige Signal bequem in ein nutzbares Spektrum passt. Diese absolute Festlegung im Hochfrequenzbetrieb macht überhaupt erst breite Hochgeschwindigkeitskanäle möglich.

Diese beiden Prinzipien verdeutlichen, warum Entwickler sowohl für kommerzielle 5G- als auch für Verteidigungssysteme auf mmWave-Frequenzen setzen. Sobald die Modulationskomplexität praktische Grenzen erreicht, besteht die einzige Möglichkeit, den Durchsatz deutlich zu erhöhen, darin, die Trägerfrequenz zu erhöhen und viel breitere Spektrallinien zu öffnen. Die Umstellung auf Millimeterwellen ist daher nicht nur ein Trend, sondern eine physikalische Voraussetzung, um die massiven Datenraten und die hochauflösende Sensorik zu erreichen, die moderne Anwendungen erfordern.

Herausforderungen bei der Entwicklung

Der Übergang zu mmWave-Frequenzen verändert das physische Design von drahtloser Hardware in einer Weise, die sowohl kommerzielle als auch militärische Systeme betrifft:

• Höhere Frequenzen komprimieren die Wellenlängen und ermöglichen die Miniaturisierung von Antennen. Diese Miniaturisierung ermöglicht die direkte Integration von Arrays auf Chips oder kompakten Modulen.
• Kürzere Wellenlängen führen zu engeren Strahlen, was die Winkelauflösung verbessert. Das bedeutet, dass Radare eng beieinander liegende Ziele unterscheiden können und 5G-Basisstationen die Energie präzise auf einzelne Nutzer ausrichten können.
• Die weit verbreitete kommerzielle Nutzung dieser Technologien hat zu einer Verlagerung hin zur Oberflächenmontagetechnologie (SMT) geführt. SMT unterstützt die automatisierte Produktion von hochintegrierten Modulen in Kunststoff- oder Keramikgehäusen.

Diese grundlegenden Veränderungen bieten sowohl Chancen als auch neue technische Herausforderungen für Entwickler von mmWave-Systemen, wie z. B.:

• Hochfrequenzbetrieb, der zu erhöhten Pfadverlusten, geringerer Antenneneffizienz und erhöhter Empfindlichkeit gegenüber Nichtlinearität, thermischen Effekten und parasitären Layoutproblemen führt.
• Hohe Bandbreitenanforderungen, die strenge Anforderungen an HF-Frontend-Komponenten stellen, und Beschränkungen auf Systemebene, wie z. B. Phased-Array-Beamforming für 5G oder hochauflösendes Radar für die Verteidigung, erschweren den Designprozess zusätzlich.

Kommerzielle Entwickler müssen ein Gleichgewicht zwischen Effizienz, Linearität und Integration finden, um die umfangreiche 5G-Infrastruktur in großem Maßstab zu unterstützen. Entwickler von Verteidigungssystemen benötigen dagegen oft eine höhere Ausgangsleistung, eine größere Bandbreite und einen anpassungsfähigen Betrieb über mehrere Bänder für Radar, Satellitenkommunikation und taktische Kommunikation.

Ingenieure müssen zwischen spezialisierten ICs wählen. Die Wahl hängt oft davon ab, ob die Anwendung vorrangig auf Leistungsoptimierung oder auf betriebliche Vielseitigkeit ausgerichtet ist.

Bei mmWave-Frequenzen steigt der Pfadverlust erheblich, und Modulationsverfahren höherer Ordnung sind anfälliger für Verzerrungen. Für die kommerzielle Nutzung von 5G ist es daher von entscheidender Bedeutung, dass Phased-Array-Antennen effizient einen hohen Durchsatz über ihre jeweiligen Bänder liefern. Auch militärische Systeme stehen vor ähnlichen Herausforderungen, obwohl ihr Hauptaugenmerk oft auf der Maximierung der Ausgangsleistung für Radarreichweiten oder Satellitenkommunikationsverbindungen (SATCOM) liegt.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, bietet ADI mit dem HMC863ALC4 einen bandoptimierten PA, der für 5G-Anwendungen in einem schmalen Band zwischen 24 GHz und 29,5 GHz auf höchste Effizienz abgestimmt werden kann. Er verfügt über eine hohe Linearität, eine Verstärkung von 17 dB, eine Ausgangsleistung von +21 dBm und erreicht einen Wirkungsgrad von 22,5%, der die zusätzlich erzeugte HF-Leistung im Verhältnis zur verbrauchten DC-Leistung misst. Untergebracht in einem kompakten 4 mm × 4 mm SMT-Gehäuse, ermöglichen diese Merkmale kommerziellen Entwicklern einen robusten Durchsatz bei gleichzeitiger Unterstützung automatisierter Montageprozesse. Das Evaluierungsboard EV1HMC863ALC4 (Abbildung 2) bietet Entwicklern eine Hardware-Plattform zur Validierung der PA-Leistung, des thermischen Verhaltens, des Vorspannungsnetzwerks und des Messaufbaus, bevor sie sich für ein HF-Frontend entscheiden.

Abbildung 2: Das EV1HMC863ALC4 bietet eine Evaluierungsplattform zur Charakterisierung der realen Performance von mmWave-Schmalbandanwendungen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Entwickler von Verteidigungssystemen arbeiten oft mit größeren Bandbreiten, um eine hohe Radarauflösung oder Multibandkommunikation zu erreichen, und opfern dafür möglicherweise die Effizienz. In solchen Fällen bietet der PA ADPA7005CHIP einen weiten Betriebsbereich von 20 GHz bis 44 GHz und erreicht typischerweise einen PAE zwischen 8% und 13% je nach Frequenzteilband. Er liefert eine Ausgangsleistung von +33 dBm, eine Verstärkung von 14 dB und einen einfachen DC-zu-HF-Wirkungsgrad von 45%, alles in einem kompakten 7 mm × 7 mm SMT-Gehäuse, was die Integration in kompakte Module vereinfacht. Durch seine große Reichweite und hohe Leistung eignet er sich gut für flexible, leistungsstarke Verteidigungsanwendungen, die vom hochauflösenden Radar bis zur Fernkommunikation reichen. Die Testplattform ADPA7005-EVALZ (Abbildung 3) verfügt über einen Kühlkörper, der bei der Entwicklung komplexerer Designs für Breitband-mmWave-Anwendungen für eine thermische Entlastung sorgt.

Abbildung 3: Das Evaluierungsboard EVAL-ADPA7005AEHZ unterstützt die Entwicklung komplexer mmWave-Breitbandanwendungen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Fazit

Der Übergang zu mmWave-Frequenzen stellt eine entscheidende Veränderung in der globalen Kommunikations- und Verteidigungstechnologie dar. Ob für Phased-Array-5G-Infrastrukturen oder kompakte EW-Systeme, die Integration von mmWave-Modulen erfordert Komponenten, die eine automatisierte, wiederholbare Montage unterstützen und gleichzeitig die thermische und Signalleistung aufrechterhalten. Die PA-Komponenten von ADI wurden unter sorgfältiger Berücksichtigung von Bandbreite, Linearität und Effizienz entwickelt und ermöglichen es Entwicklern, die Anforderungen von mmWave-Systemen sowohl für kommerzielle als auch für militärische Anwendungen zu erfüllen.