En la cadena de señal de RF, el amplificador de potencia (PA) es el elemento activo ubicado entre los circuitos de la cadena de señal del transmisor y la antena, Figura 1. A menudo es un componente discreto único, uno con requisitos y parámetros que difieren de los de gran parte de la cadena de transmisión, así como de los circuitos del receptor. Estas preguntas frecuentes analizarán el papel de la AP y cómo se caracteriza.

P: ¿Qué hace la AP?

R: La función básica de un PA es muy simple en concepto. Toma la señal de RF de baja potencia, ya con la codificación y modulación de datos y a la frecuencia deseada, y aumenta la intensidad de la señal al nivel necesario para el diseño. Este nivel de potencia puede ser desde milivatios hasta decenas, cientos o miles de vatios. El PA no cambia la forma, el formato o el modo de la señal, sino que "simplemente" lo amplifica.

P: ¿El PA siempre es un componente independiente y discreto?

R: No. Para una salida de RF de menor potencia del orden de 100 mW o menos, el PA puede ser parte del IC de transmisión de RF o incluso el IC del transceptor más grande. Si bien la implementación del PA de esta manera puede ahorrar costos de BOM, requiere que el diseñador tenga mucho cuidado con la ubicación física del IC de RF y la antena, ya que el enrutamiento de la señal de RF es un desafío. Además, el diseño y la ejecución del PA en chip pueden forzar compromisos difíciles en su rendimiento o el rendimiento de los circuitos de RF asociados.

En el otro extremo de los niveles de mayor potencia del orden de 500-1000 W, un único PA discreto puede no ser capaz de manejar el nivel de potencia. En estos casos, se pueden usar múltiples dispositivos PA en paralelo. Si bien esto puede resolver el problema de energía, un diseño paralelo trae el nuevo problema del equilibrio de energía, el intercambio de corriente, la coincidencia térmica, el tratamiento y la prevención de fallas individuales o sobrecalentamiento, y más.

P: ¿Qué es un MMIC?

R: Un IC de RF con o sin PA es soenti9es denominado MMIC– IC milimétrico, aunque estrictamente hablando, las ondas milimétricas abarcan 30 GHz a 300 GHz, mientras que el rango de 1 GHz a 30 GHz se considera microondas. Pero el uso común a menudo usa el término MMIC para las frecuencias de microondas más altas.

P: ¿Qué procesos de semiconductores se utilizan para los PA de RF?

R: Además de los MOSFET estándar, hasta hace aproximadamente una década, el proceso dominante era el arseniuro de galio (GaAs), y todavía se usa hoy en día, principalmente en la gama <5 W de teléfonos inteligentes y televisión por cable. A niveles de potencia más altos, el nitruro de galio (GaN) ha logrado un progreso significativo en la última década, debido tanto a las necesidades del mercado como a la importante inversión en procesos por parte de los proveedores. GaN es ahora el proceso de PA más favorecido para nuevos diseños.

P: ¿Cómo entra la frecuencia de operación en la situación?

R: Siempre que haya un diseño de RF, los problemas clave son la potencia y la frecuencia, y el impacto de un factor en el otro. Los FET funcionan hasta varios cientos de MHz, pero pueden alcanzar el rango de GHz, mientras que GaAs es útil para varias decenas de GHz, aunque es mejor bajo 10 GHz. En frecuencias de varias decenas de GHz, donde se concentra gran parte de la actividad de RF emergente (piense en 5G), GaN es el proceso más atractivo. (Por supuesto, cada una de estas declaraciones generales tiene excepciones, además, toda el área se mueve rápidamente, por lo que estas declaraciones generales están en constante cambio).

Tenga en cuenta que la tecnología de proceso es solo una parte de la historia. La otra parte es cómo se utiliza el proceso, en términos de topología de fabricación, entre las opciones están los transistores de unión bipolar (BJT), MOSFET de modo de mejora, transistores bipolares de heterounión (HBT), FET de semiconductores metálicos (MESFET), alta movilidad de electrones transistores (HEMT) y semiconductores de óxido de metal con difusión lateral (LDMOS). Las sutilezas de cada uno generalmente no son directamente relevantes para el usuario de la AP, pero sí afectan lo que la AP puede hacer y sus limitaciones.

P: Suponiendo que el PA tiene las especificaciones correctas, ¿cuáles son los principales problemas de diseño que afectan su uso?

R: Hay tres: diseño, integridad de la señal y parásitos; gestión térmica (la eficiencia de PA puede ser desde 30% a 70%, típicamente), disipador de calor, flujo de aire y enfriamiento conductivo / convencional; y desarrollar una red para la adaptación de impedancia a la antena, Figura 2.

P: El diseño y la gestión térmica parecen lo suficientemente sencillos para anticipar y modelar, pero ¿qué pasa con la coincidencia?

R: La coincidencia es complicada porque una coincidencia aceptable, una que da como resultado un VSWR <2 en la mayoría de los casos, requiere un modelado cuidadoso, el uso del gráfico de Smith (Figura 3) o una herramienta similar y, a menudo, un VNA (analizador de redes vectoriales). Pero el verdadero desafío es que los parámetros de la carga, aquí la antena, pueden no ser constantes.

Si el producto final es un teléfono inteligente, por ejemplo, la colocación de las manos y el cuerpo del usuario, así como otros objetos cercanos, afecta la impedancia de carga y, por lo tanto, la bondad de la coincidencia de impedancia. A medida que cambian las circunstancias durante el uso, la antena se "desafina" y VSWR aumentará, lo que provocará ineficiencia de energía radiada, posible sobrecalentamiento y apagado térmico. Aquí hay técnicas disponibles para contrarrestar estos cambios, como la coincidencia de impedancia dinámica, pero estos agregan costos y complejidad.

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