CC BY
2
An analysis of modern Russian developments in the field ofproduction of high-precision sniper weapons, a comparative analysis of the performance characteristics of domestic samples with foreign analogues, and a further prospect for the development of this direction in the future are presented.
Key words: sniper rifle, sniper weapon, accuracy of fire, angular deviation, comparative analysis, development
perspective.
Evseev Alexander Andreevich, specialist, senior operator, era [email protected], Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA», Zheleznov Nikita Andreevich, bachelor, senior operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA», Savostin Dmitry Alexandrovich, specialist, senior operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
УДК 537.39
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-209-210
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЛИНЕЙНОСТИ В КОНСТРУКЦИИ УСИЛИТЕЛЯ
МОЩНОСТИ mMIMO ИЗ НИТРИДА ГАЛЛИЯ
Я.О. Тарасов
Перед разработчиками массивных систем с несколькими входами и несколькими выходами (multiple-input-multiple-output, далее по тексту mMIMO) стоит задача повысить общую эффективность системы. При мгновенной полосе пропускания 200 МГц и более очень важно уменьшить искажения, создаваемые при работе усилителя мощности (Power Amplifire, далее по тексту РА) в их нелинейной области. Баланс линейности широкополосной системы с высокой эффективностью системы является обязательным показателем для соответствия требованиям к размерам, весу и мощности систем mMIMO. Чтобы спроектировать такую широкополосную систему в соответствии с заданными требованиями к линейности, оптимизация конструкции должна выходить за рамки PA финальной стадии и распространяться на всю линейку усилителей. Аналогичным образом, эта линейка усилителей должна быть оптимизирована с учетом системного приемопередатчика и алгоритма цифрового предварительного искажения (Digital Pre-Distortion, далее по тексту DPD).
Ключевые слова: Усилитель мощности, нитрид галия, карбид кремния, передатчик, полоса пропускания, широкополосные цифровые системы, линейность.
Сотрудничество ведущих компаний Wolfspeed и Analog Devices, inc. (ADI) углубленно подошло к изучению баланса между эффективностью и линейностью, обсуждая отраслевые подходы и представляя примеры в следующих областях:
1. Выбор технологий устройств с более высокой эффективностью, например нитрида галлия (GaN) на карбиде кремния (SiC), для линейки усилителей.
2. Специализированные системы DPD для простых и высокоэффективных архитектур модельного ряда.
Быстрый рост мобильной связи пятого поколения (5G) и расширение интернета вещей (internet of things,
IoT) обеспечивают более высокие скорости передачи данных для все большего числа пользователей, чему способствуют высокоэффективные полупроводниковые технологии, такие как нитрид галлия (Gan) на карбиде кремния (SiC). Высокие скорости передачи данных обеспечивают быструю передачу данных, большее количество пользователей и улучшенное качество обслуживания. Для предоставления этих услуг используются схемы модуляции более высокого порядка и очень широкополосные сигналы. Эти характеристики выводят повышенные скорости передачи данных при беспроводной передаче на новый уровень. Это ужесточает требования к цепочке передачи (TX), поскольку нелинейности передатчиков возбуждаются более агрессивно. В системах 4G и 5G используется архитектура усилителей мощности, называемая усилителем Доэрти. Эта архитектура поддерживает максимальную эффективность в течение периода отключения питания. Это может произойти за счет насыщения даже при отключении питания.
Система 4G была разработана для относительно узкополосных приложений (мгновенная пропускная способность, приблизительно IBW = 60 МГц). В этих приложениях присутствует проблема линейности, вызванная главным образом заключительной стадией Доэрти ПА.
Для 5G mMIMO требуется мгновенная полоса пропускания (160 МГц или более). Проблемы линейности с такими широкополосными сигналами могут быть связаны с сочетанием всей линейки PA, широкополосного приемопередатчика и DPD. Таким образом, линеаризация в более широком диапазоне зависит от всей системы.
Помимо требований к широкополосности, еще одним ключевым показателем является высокая эффективность для систем 5G. Требования к эффективности должны соответствовать требованиям к размерам и весу активной антенной системы n MIMO. Высокоэффективные усилители мощности обычно используют асимметричную архитектуру Доэрти. Недостатком этого подхода является потенциальная высокая нелинейность производительности.
Для сочетания противоположных требований линейности и эффективности приходится идти на компромисс. Выполнение требований максимальной эффективности возможно только при минимальном выполнении требованиям линейности, а система DPD обеспечивает выполнение требований к линейности на системном уровне.
Проектирование широкополосных PA должно быть сосредоточено на всей линейке усилителей для удовлетворения заданных требований к линейности оптимизация. Аналогичным образом, модельный ряд должен быть оптимизирован с учетом приемопередающей системы и системы DPD.
Модуль усилителя мощности для mMIMO. В настоящее время лидером по производству полупроводниковых материалов и устройств является вертикально интегрированное предприятие Wolfspeed. Предприятие предлагает радиочастотные усилители мощности и транзисторные устройства из GaN мирового класса. Это обеспечивает надежную поставку интерфейсных модулей нового поколения - от объемных кристаллов, эпитаксии, пластин, матриц, до проектирования устройств PAS мирового класса.
Топология проектирования. Мощный многочиповый асимметричный PA-модуль Доэрти (Power Ampli-fire Module, далее по тексту PAM) Wolfspeeds разработал с использованием новейших технологий GaN на устройствах SiC HEMT и точных нелинейных моделей устройств для базовых станций 5G mMIMO [1]. PA спроектирован в компактном корпусе для поверхностного монтажа, который намного меньше, чем решения с дискретными компонентами.
Для создания полнофункционального высокопроизводительного Доэрти PAM модулям требуется минимум внешних компонентов. Асимметричный модуль Doherty PAM подходит как для стандартов 4G, так и для 5G, обеспечивая напряжение питания 48 В в корпусе для поверхностного монтажа размером 6x6 мм (рис.1). Для повышения эффективности в комплект поставки встроен выход второй гармоники.
Рис. 1. Линейка Wolfspeed PAM EVB
Текущие производственные PAM охватывают диапазон мобильных частот ниже 6 ГГц в диапазоне от 2,3 ГГц до 4,0 ГГц.
- WS1A3940: Модуль, оптимизированный для конструкций USC - диапазона от 3,7 до 4,0 ГГц
- WS1A3640: Модуль оптимизирован для работы на частоте от 3,3 ГГц до 3,8 ГГц. Он обладает гибкостью конструкции для работы в отдельных диапазонах, таких как B42 и B43 design
- WS1A2639: Модуль, оптимизированный для проектирования полос частот в диапазоне B41 (диапазон от 2,496 ГГц до 2,69 ГГц)
Для создания полной линейки усилителей был создан усилитель общего назначения WSGPA01 в качестве каскада драйверов для поддержки производительности вышеуказанных устройств, работающих в диапазонах до 5 ГГц. Все устройства PA демонстрируют отличную линейность при средней выходной мощности от 38,5 дБм до 40 дБм, обеспечивают усиление мощности более 13,0 и высокую насыщенную мощность более 47 дБм. Производительность была продемонстрирована с использованием системы DPD Analog Devices, Inc. с мгновенной полосой пропускания (IBW) до 200 МГц и отношением пикового значения к средней мощности (PAPR) сигнала 8 дБ (табл. 1).
Таблица 1
Радиочастотные характеристики PAM при работе с сигналом LTE__
PAM Диапазон частот, МГц IBW, МГц Уровень мощности, дБм Усиление, дБ Эффективность, % Пиковая мощность, дБм
WS1A3940 (US C-band) 3700-3980 280 39.5 13.0 52 48
WS1A3640 (B42) 3400-3600 200 39.5 13.5 55 48
WS1A3640 (N78) 3300-3800 400 39.5 13.0 50 48
WS2A2639 (N41) 2496-2690 194 38.5 16.5 57 47
Цифровое предварительное искажение (DPD). За последнее десятилетие интегрированные приемопередатчики ADI превратились в высокопроизводительную платформу. Семейство ADI Radio Verse включает в себя широкий спектр встроенных приемопередатчиков, которые поддерживают занятую полосу пропускания до 200 МГц, интегрируя расширенные функции, такие как DPD, уменьшение коэффициента усиления (CFR).
Измерения DPD. Разработка PA с пропускной способностью 200 МГц (3GP) является серьезной задачей. Необходимо избежать эффектов нелинейности в цепочке передачи данных. Решение заключается в использовании эффективного алгоритма DPS [2,3,4]. DPD - это метод линеаризации PA, который оценивает модель поведения PA, а затем устраняет нелинейность и вклад памяти [4,5]. Это позволяет PA работать на более высокой мощности и с более высокой эффективностью [6]. Основной принцип работы DPD показан на рис.2.
PAs и BPD разделяют частично симбиотические отношения. Эти отношения могут быть как гармоничными, так и трудными. DPD система, оптимизированная для конкретной конструкции PA, может быть в недостаточной степени скорректирована для другой конструкции PA.
Часто оптимальная производительность достигается, когда и DPD, и PA настраиваются синхронно в соответствии с конкретным приложением. Поэтому необходимо обеспечить совместную оптимизацию системы ADI Trx DPD PA.
Разработчики Wolfspeed PA пытаются добиться более широкой полосы пропускания при сохранении высокой общей радиочастотной производительности. Разработчики ADI DPD пытаются разработать оптимизированные алгоритмы DPD, которые соответствуют спецификациям 3GPP с минимальными ресурсами DPD и минимальным энергопотреблением системы.
Рис. 2. Основной принцип работы DPD
AD9375 - это первый радиочастотный приемопередатчик ADI с встроенным алгоритмом DPD. Решение AD9375 DPD поддерживает сигналы 3G и 4G с мгновенной полосой пропускания сигнала до 50 МГц. Для систем 5G (также для 3G и 4G) с полосой пропускания до 200 МГц ADRV9029 имеет два решения DPD (Gen3 и Gen4). Приемопередатчик ADI следующего поколения оснащен более мощным алгоритмом DPD (Gen 5) с более высокой скоростью адаптации и более высокой частотой дискретизации DPD, что обеспечивает системные требования 5G 400 МГц. Новый приемопередатчик 8T8R отличается более быстрым временем восстановления, что обеспечивает восстановление в режиме реального времени и стабильность [7] (табл. 2).
Таблица 2
Эволюция модели ADI DPD с соответствующими возможностями IBW _
Модель AD9375 ADRV9029 Next Gen TRX
Поколение Gen2 Gen3/Gen4 Gen5
IBW 50 МГц 200 МГц 400 МГц
Тех. Процесс 65 нм 28 нм 16 нм
Мощность/канал 25 мВт 50-300 мВт 650 мВт
Использование встроенного DPD в SoC приемопередатчика снижает энергопотребление на 90% по сравнению с решениями на базе FPGA и сокращает количество полос SERDES вдвое. Тем самым снижая требования к ПЛИС и стоимость. Таблица демонстрирует эволюцию модели ADI DPD с соответствующими возможностями IBW. В таблице также показано, что по мере увеличения пропускной способности системы предпринимаются постоянные усилия для дальнейшего снижения энергопотребления DPD.
Эти характеристики приемопередатчиков упрощают конструкцию, уменьшают размер системы, вес, мощность и затраты на базовые станции малой ячейки.
Для проверки и оптимизации различных поколений алгоритмов DPD компания Wolfspeed предоставила ADI свои модули mimo PA. Сотрудничество было сосредоточено на оценке совместно оптимизированных системных решений mimo.
На рис. 3 и рис. 4 показана производительность системы приемопередатчика Wolfspeed PA в рамках эволюции алгоритма ADI DPD с полосой пропускания сигнала 160 МГц и 200 МГц соответственно. На этих рисунках представлены требования спецификации излучения 3gPP, которые выполняются с запасом при полосе пропускания сигнала до 200 МГц. Значительный запас достигается с помощью ADI Gen5 DPD, поскольку этот алгоритм линеаризации является более мощным и предназначен для систем IBW mMIMO с частотой 400 МГц.
ADI и wolfspeed в настоящее время работают над подтверждением следующей пропускной способности системы 5G в 400 МГц. Эти требования к высокой пропускной способности создают дополнительные проблемы со стороны проектирования PA и разработки алгоритма DPD. Главной проблемой по-прежнему остаются высокие требования заказчиков к эффективности системы как к радио компонентам, так и к PA. Это ограничивает эффективность PA на протяжении всей широкополосной работы, что является сложной задачей при архитектуре PA Доэрти. Та же проблема возникает и со стороны алгоритма DPD, в котором ресурсы ограничены для обеспечения минимального энергопотребления при сохранении соответствия спецификациям 3GPP.
На рис. 5 представлены результаты линеаризованной системы ADI TRX DPD (Gen 5) - WS1A3640 n78 PA. В этой линейке систем технические характеристики удовлетворяются с запасом для полосы пропускания до 340 МГц. ADI и wolf speed сосредоточены на оптимизации компонентов системы для удовлетворения требований к полосе пропускания 400 МГц с максимальной эффективностью.
ADI DPD зволнщпя inMlMO PAMs - IBW ISO
35
-40
-50
i WS1A3640 (n7S)-Eff.50%
WS1A.19№T.ff.í2% , WSlA3640CB42>E£f.S5% WS1A2639-Eff.=57%
Gen3 При 4 Gem5
Puc. 3. ADI DPD эволюция OBW160 МГц
ADI DPD змиивщя - IBW 200 МГц - OBW - 200 МГц
S -45
■ WSlA364O(n7S)-Eff.50%
AYS1A3940 - Eff.52% - WS1A3640(B42>-Eff.55%
GeuJ Geii4 GeiS
Puc. 4. ADI DPD эволюция - IBW200 МГц - OBW= 200 МГц
П-$1.43640 (ii7S) с ADI Gen 5 DPD - OBW- 200 МГц
Л -45
200 240 2S0 320 340
IBW [МГц]
Рис. 5. WS1A3640 (n 78) с ADI Gen 5 DPD - OBW= 200 МГц
Заключение. Оптимальная производительность системы 5G достигается при совместном включении DPD и PA. Совместные усилия Wolfspeed и Analog Devices, Inc. демонстрируют решения для создания линейной, эффективной и широкополосной системы связи путем тесной связки разработки конструкции усилителя мощности с цифровой системой предварительного искажения для широкополосных устройств mMIMO.
Список литературы
URL:
1. Cree-Wolfspeed, «Модели больших сигналов GaN HEMT». [Электронный ресурс] https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/gan-hemt-large-signal-models (дата обращения: 10.10.2022).
2. Каверс Дж.К. Линеаризация усилителя с использованием цифрового преобразователя с быстрой адаптацией и низкими требованиями к памяти // IEEE Trans. Veh. Технол., 1990. Том 39. С. 374-382.
3. Д'Андреа А.Н., Лоттичи В., Реджаннини Р. Нелинейное предварительное искажение сигналов OFDM по частотно-избирательным каналам с замиранием // IEEE Trans. Сообщество, 2001. Том 49. С. 837-843.
4. Ганнуши Ф.М., Хамми O., Хелауи М. Поведенческое моделирование и предварительное искажение широкополосных беспроводных передатчиков. Уайли, 2015.
5. Морган Д.Р. и др. Обобщенная полиномиальная модель памяти для цифрового предварительного искажения усилителей мощности RF // IEEE Transactions on signal processing. Т. 54. № 10, 2006. С. 3852-3860.
6. Дин Л., Чжоу Г.Т., Морган Д.Р., Ма З., Кенни Дж.С., Ким Дж., Джардина К.Р. Надежный цифровой предисторический преобразователь основной полосы частот, построенный с использованием полиномов памяти // IEEE Trans. Коммун., 2004. Том 52. № 1. С. 159-165.
7. Саммерфилд С., Кирни Ф. Как сделать цифровое решение для предварительного искажения практичным и актуальным // Analog Devices, 2021. Т. 55. № 3.
Тарасов Ярослав Олегович, магистр, старший оператор, era [email protected], Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ
«ЭРА»
RESOLVING GALLIUM NITRIDE (GAN) MMIMO POWER AMPLIFIER DESIGN EFFICIENCY AND LINEARITY
CHALLENGES
Y.O. Tarasov
Massive multiple-input-multiple-output (mMIMO) system designers are being challenged to improve overall system efficiency. With instantaneous bandwidths at 200MHz and greater, it is increasingly important to reduce the distortion created when operating Power Amplifiers (PA) in their non-linear region. Balancing wideband system linearity with the system efficiency is a must-meet metric to fit the size, weight, and power requirements of mMIMO systems. To design such a wideband system around given linearity requirements, the optimization of the design should look beyond the final-stage PA and expand focus to the entire amplification lineup. Similarly, this amplification lineup should be optimized with the system transceiver and Digital Pre-Distortion (DPD) algorithm in mind.
Key words: Power Amplifiers, GaN, SiC, transmitter, transmittion, wideband digital system, linearity.
Tarasov Yaroslav Olegovich, magister, senior operator, [email protected], Russia, Anapa, FGAU«MIT«ERA»
УДК 535.233
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-213-214
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА
П.А. Конов, Н.А. Чушкин, Н.А. Железнов
Данная статья повествует о тепловом излучении. Рассмотрена природа теплового излучения с точки зрения физики. Рассмотрены основные понятия теории теплового излучения. Рассмотрены основные законы теплового излучения, а именно: закон Кирхгофа, закон смещения Вина, закон Стефана - Больцмана, формула Рэлея -Джинса, формула Планка. Проанализировано влияние теплового излучения инфракрасного спектра на условия труда и здоровье человека.
Ключевые слова: тепловое излучение, электромагнитный спектр, закон Кирхгофа, закон смещения Вина, закон Стефана - Больцмана, формула Рэлея - Джинса, гипотеза Планка, микроклимат.
Все существующие в природе тела так или иначе излучают тепло, и потому являются источниками теплового излучения. Тепловое излучение происходит в тот момент, когда часть внутренней энергии под действием тепла переходит в энергию излучения. Это происходит благодаря переходу молекул из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Потому, тепловое излучение обуславливается состоянием внутренней энергии тела [1]. Благодаря изменению внутренней энергии, абсолютно все тела являются источниками теплового излучения. В процессе нагрева, тело начинает излучать электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне. Эксперименты показывают, что тепловое излучение имеет непрерывный спектр, это означает, что нагретое тело начинает испускать энергию излучения в любом диапазоне частот или длин волн. Но именно излучение в инфракрасном диапазоне человеческая кожа воспринимает как тепло (рис. 1). Экспериментально установлено, что человек выделяет в среднем около 100 Вт тепла, в случае физических нагрузок показатели будут выше [1,2].
Электрой» яитный спектр
Ультрафиолет ВII.(имi.tII сап Радиоволны
0.7 «о
Рис. 1. Электромагнитные спектры теплового излучения
