З паскораным камерцыйным разгортваннем 5G-Advanced і бесперапынным прагрэсам у папярэдніх даследаваннях 6G сістэмы мабільнай сувязі хутка развіваюцца ў бок больш высокіх дыяпазонаў частот, больш шырокай прапускной здольнасці, больш высокай інтэграцыі і меншага спажывання энергіі. Як асноўнае звяно сістэм бесправадной сувязі, верхняя мяжа прадукцыйнасці радыёчастотных інтэрфейсаў непасрэдна вызначае ёмістасць пакрыцця, хуткасць перадачы і энергаэфектыўнасць сетак.

З пункту гледжання сумеснай распрацоўкі прылад актыўнай магутнасці і пасіўных высокачашчынных кампанентаў, у гэтым артыкуле аналізуюцца сучасныя праблемы шырокапалоснай шырокапалоснасці, высокай эфектыўнасці і мініяцюрызацыі, з якімі сутыкаюцца радыёчастотныя інтэрфейсы, спалучаючы інтэграваную эвалюцыю паўправадніковых сілавых MMIC трэцяга пакалення і важную ролю шматслойных керамічных кандэнсатараў высокай якасці ў сетках радыёчастотнага ўзгаднення і фільтрацыі. У гэтым дакуменце таксама абмяркоўваецца інжынернае значэнне сумеснай аптымізацыі на ўзроўні прылады для паляпшэння агульнай прадукцыйнасці радыёчастотных сістэм і разглядаюцца тэндэнцыі развіцця тэхналогій радыёчастотных прылад у эпоху 6G.

Ад шырокамаштабнага разгортвання макрабазавых станцый 5G да ўкаранення магчымасці сыходнай сувязі 10 Гбіт/с у 5G-A і да вызначаных тэхнічных напрамкаў 6G, такіх як тэрагерцы і інтэлектуальныя адлюстроўваючыя паверхні, кожнае пакаленне ітэрацыі мабільнай сувязі прад'яўляе ўсё больш жорсткія патрабаванні да прадукцыйнасці радыёчастотных інтэрфейсаў. У цяперашні час галіна сутыкаецца з трыма асноўнымі праблемамі:

Першы - гэта праблема шырокапалоснага доступу. Попыт на міжпалосную агрэгацыю нясучай у 5G-A і поўнадыяпазоннае пакрыццё ніжэй за 10 ГГц у 6G патрабуе, каб узмацняльнікі ВЧ магутнасці мелі шырокую імгненную прапускную здольнасць. Цяжкасці канструкцыі ўзгаднення сетак з традыцыйнымі дыскрэтнымі прыладамі значна ўзраслі, а характарыстыкі частотнай характарыстыкі пасіўных прылад непасрэдна абмяжоўваюць абмежаванне прапускной здольнасці сістэм.

Другая праблема - энергаэфектыўнасць. У рамках мэты "двайны вуглярод" энергаэфектыўнасць базавай станцыі стала асноўным паказчыкам ацэнкі для аператараў. Аптымізацыя архітэктур Doherty і тэхналогій лічбавага прадысторыі паступова наблізілася да тэарэтычнага вузкага месца. Далейшае павышэнне энергаэфектыўнасці павінна распаўсюджвацца на бок прылад з адначасовымі намаганнямі як ітэрацыі працэсу актыўных чыпаў, так і аптымізацыі страт пасіўных прылад.

Трэцяе - праблема мініяцюрызацыі. Паколькі колькасць каналаў Massive MIMO павялічваецца з 64 да 128, унутраная прастора актыўных антэнных блокаў (AAU) працягвае скарачацца. Інтэграцыя прылад, павярхоўны мантаж і мініяцюрызацыя сталі непазбежнымі тэндэнцыямі, якія вылучаюць больш высокія патрабаванні да надзейнасці ўпакоўкі, паслядоўнасці і сумяшчальнасці аўтаматызаванай зборкі прылад.

У гэтым кантэксце павышэнне прадукцыйнасці адной прылады больш не можа адпавядаць патрабаванням сістэмнага ўзроўню. Сумеснае праектаванне і сумесны выбар прылад актыўнага харчавання і пасіўных высокачашчынных прылад сталі важным шляхам да павышэння прадукцыйнасці радыёчастотных інтэрфейсаў.

Тэхнічны шлях узмацняльнікаў магутнасці, які з'яўляецца асноўнай актыўнай прыладай радыёчастотных інтэрфейсаў, хутка пераходзіць ад рашэнняў з дыскрэтнымі транзістарамі да цалкам інтэграваных рашэнняў MMIC. Паўправадніковыя прылады харчавання трэцяга пакалення, прадстаўленыя працэсамі LDMOS і GaN, не толькі пастаянна паляпшаюць напружанне прабоя і выхадную магутнасць, але і глыбока прасоўваюць архітэктурную інтэграцыю.

У якасці прыкладу возьмем трохступеністы цалкам інтэграваны MMIC Doherty для дыяпазону 5G 3,3–3,8 ГГц. Традыцыйныя дыскрэтныя рашэнні Doherty патрабуюць знешніх раздзяляльнікаў магутнасці, камбайнераў, некалькіх набораў адпаведных сетак і ланцугоў зрушэння, што прыводзіць да вялікай колькасці кампанентаў спецыфікацыі, вялікай плошчы друкаванай платы і складанага кантролю кансістэнцыі зборкі, што непасрэдна ўплывае на выхад і стабільнасць прадукцыйнасці ў масавай вытворчасці. Наадварот, цалкам інтэграваны Doherty MMIC аб'ядноўвае транзістары носьбітаў, пікавыя транзістары, раздзяляльнікі ўваходнай магутнасці, выхадныя аб'ядноўвальнікі і сеткі папярэдняга ўзгаднення на чыпе - усё гэта ў адным чыпе, дасягаючы ўваходнага супраціўлення 50 Ом і стандартызаванага выхаднога супраціўлення, што значна скарачае цяжкасці знешняга ўзгаднення.

Асноўная каштоўнасць такіх інтэграваных прылад заключаецца не толькі ў памяншэнні памеру, але і ў магчымасці прайгравання прадукцыйнасці. Інтэграваныя на чыпе сеткі ўзгаднення дакладна адкалібраваны вытворцам, з значна лепшай узгодненасцю паміж каналамі, чым рашэнні, пабудаваныя з дыскрэтнымі прыладамі. У той жа час яны падтрымліваюць незалежны кантроль зрушэння для апорнай і пікавых шляхоў, дазваляючы гнутка рэгуляваць баланс паміж эфектыўнасцю і лінейнасцю для розных сцэнарыяў прымянення, ідэальна адаптуючыся да разнастайных патрабаванняў макрастанцый 5G, мікрастанцый і актыўных антэн Massive MIMO.

У радыёчастотных інтэрфейсных сістэмах пасіўныя прылады часта забываюць, але прадукцыйнасць сетак узгаднення імпедансу, ланцугоў абыходнага фільтра і ланцугоў сувязі/блакіроўкі пастаяннага току ў канчатковым выніку вызначае фактычную эфектыўнасць, лінейнасць і стабільнасць працы сістэм узмацняльніка магутнасці. Сярод іх радыёчастотныя шматслойныя керамічныя кандэнсатары (MLCC), як адны з найбольш шырока выкарыстоўваных пасіўных прылад, маюць каэфіцыент Q, эквівалентнае паслядоўнае супраціўленне (ESR), эквівалентную паслядоўную індуктыўнасць (ESL) і дакладнасць ёмістасці, якія непасрэдна ўплываюць на ўносімыя страты і ўзгодненасць параметраў адпаведных сетак.

На прыкладзе керамічных высокачастотных кандэнсатараў серыі 100B выкарыстоўваецца парцалянавы дыэлектрык з тэмпературным каэфіцыентам P90 у спалучэнні з працэсам спякання шчыльнай керамікі і канструкцыяй структуры з нізкай паразітнай індуктыўнасцю. Яны могуць дасягнуць значна больш высокага каэфіцыента Q і меншых уносімых страт у дыяпазонах высокіх частот, чым звычайныя MLCC. У адпаведных сетках магутных радыёчастотных узмацняльнікаў магутнасці яны могуць эфектыўна паменшыць выпрацоўку цяпла і страты эфектыўнасці, выкліканыя пасіўнымі стратамі, і палепшыць агульную эфектыўнасць спажывання ўзмацняльнікаў магутнасці.

Для сцэнарыяў з рознымі патрабаваннямі да дакладнасці радыёчастотныя кандэнсатары з высокай якасцю ўтвараюць поўны градыент допуску: прылады з ступенню дакладнасці ±1% падыходзяць для дакладнага ўзгаднення сетак і сцэнарыяў з высокімі патрабаваннямі да лінейнасці, забяспечваючы ўзгодненасць параметраў паміж каналамі ў масавай вытворчасці і зніжаючы выдаткі на каліброўку і адладку; прылады з допускам ±2% і ±5% збалансуюць прадукцыйнасць і кошт адпаведна, адаптуючыся да розных гатункаў прамысловага і грамадзянскага радыёчастотнага абсталявання. У той жа час паказчыкі вытрымкі высокага напружання 500 В і вышэй могуць ідэальна адаптавацца да ланцугоў высокага напружання зрушэння магутных узмацняльнікаў магутнасці. У спалучэнні з алавяна-свінцовай высоканадзейнай тэрмінальнай тэхналогіяй яны могуць адпавядаць патрабаванням эксплуатацыі ў шырокіх тэмпературах ад -55°C да +175°C і адаптавацца да суровых умоў прымянення, такіх як базавыя станцыі, радар і аэракасмічная прамысловасць.

У практычным інжынерным праектаванні выбар прылад актыўнай магутнасці і пасіўных прылад не праводзіцца самастойна. Сумеснае супастаўленне паміж імі з'яўляецца ключом да дасягнення аптымальнай прадукцыйнасці сістэмы.

Па-першае, гэта сумесная распрацоўка ўзгаднення імпедансу. Характарыстыкі выхаднога імпедансу магутнасці MMIC вызначаюць тапалогію і параметры кампанентаў адпаведных сетак. Параметры ESR і ESL кандэнсатараў з высокай добрасцю павінны быць уключаны ў агульную мадэль мадэлявання ўзгаднення, а не з выкарыстаннем толькі ідэальных мадэляў кандэнсатараў. Сумеснае мадэляванне з выкарыстаннем пасіўных прылад высокай якасці з вымеранымі мадэлямі можа значна палепшыць узгодненасць паміж вынікамі мадэлявання і рэальнымі выпрабаваннямі, скараціць ітэрацыі праектавання і скараціць цыклы даследаванняў і распрацовак прадукту.

Па-другое, гэта сумесны кантроль талерантнасці і паслядоўнасці. Інтэграваныя магутнасці MMIC маюць высокую ўзгодненасць параметраў. Калі допуск адпаведных кандэнсатараў занадта вялікі, гэта стане асноўнай крыніцай ваганняў прадукцыйнасці ўсяго звяна. У высокадакладнай канструкцыі радыёчастотнага канала выкарыстанне кандэнсатараў з высокай якасцю допуску ±1% у спалучэнні з інтэграванымі MMIC можа кантраляваць ваганні міжканальнага ўзмацнення ў вельмі малым дыяпазоне, што значна зніжае нагрузку на каліброўку шматканальных сістэм Massive MIMO.

Па-трэцяе, гэта сумеснае падбор надзейнасці. У высокамагутных радыёчастотных сцэнарыях тэмпература спалучэння сілавых транзістараў перадаецца на навакольныя пасіўныя прылады праз друкаваныя платы, у той час як ланцугі зрушэння высокага напружання ствараюць доўгатэрміновую нагрузку напругай на кандэнсатары. Выбар радыёчастотных кандэнсатараў з шырокім дыяпазонам тэмператур, вытрымкай высокага напружання і высокай надзейнасцю завяршэння можа адпавядаць ступені надзейнасці сілавых прылад, прадухіліць пасіўныя прылады ад таго, каб яны сталі кароткім тэрмінам службы сістэмы, і забяспечыць стабільнасць абсталявання падчас доўгатэрміновай службы.

У эпоху 6G радыёчастотныя інтэрфейсы будуць развівацца ў бок больш высокіх частотных дыяпазонаў, больш высокай інтэграцыі і больш высокага інтэлекту, а тэхналогія прылад таксама адкрые новы віток трансфармацыі.

На ўзроўні працэсу прылады такія працэсы, як GaN-on-SiC і GaN-on-Diamond, будуць працягваць ітэрацыі, яшчэ больш паляпшаючы шчыльнасць магутнасці і здольнасць рассейвання цяпла для падтрымкі выходнай магутнасці ў тэрагерцавым дыяпазоне. Што тычыцца пасіўных прылад, дыэлектрычныя матэрыялы і канструкцыі з больш высокім каэфіцыентам Q і меншымі паразітарнымі параметрамі стануць у цэнтры ўвагі даследаванняў і распрацовак, каб задаволіць попыт з нізкімі стратамі ў міліметровым і тэрагерцавым дыяпазонах.

На ўзроўні формы інтэграцыі мяжа паміж актыўнымі і пасіўнымі кампанентамі будзе яшчэ больш сцірацца. Радыёчастотная сістэма ў камплекце (SiP), заснаваная на гетэрагеннай інтэграцыі і тэхналогіі 3D-упакоўкі, стане мэйнстрымам, аб'ядноўваючы ўзмацняльнікі магутнасці, узмацняльнікі з нізкім узроўнем шуму, фільтры, адпаведныя кандэнсатары і пасіўныя сеткі ў адзін пакет для рэалізацыі мініяцюрызацыі і стандартызацыі радыёчастотных інтэрфейсаў.

На ўзроўні прымянення асноўныя тэхналогіі 6G, такія як пераналаджвальныя радыёчастотныя інтэрфейсы і інтэлектуальныя адлюстроўваючыя паверхні, высунуць новыя патрабаванні да наладжвальных магчымасцей і хуткасці водгуку прылад. Камбінацыя наладжвальных пасіўных прылад высокай якасці і шырокапалосных рэканфігураваных прылад харчавання стане важным напрамкам будучых тэхнічных даследаванняў.

ВЧ і мікрахвалевая тэхналогія з'яўляецца асновай падтрымкі індустрыі бесправадной сувязі. Кожны скачок у пакаленнях сувязі неаддзельны ад тэхналагічных прарываў і інжынерных інавацый радыёчастотных прылад. У крытычны перыяд паглыблення камерцыйнага разгортвання 5G-A і паскарэння папярэдніх даследаванняў 6G, прарыў праз абмежаванне прадукцыйнасці асобных прылад і садзейнічанне сумеснай распрацоўцы і сумеснай аптымізацыі прылад актыўнай магутнасці і пасіўных прылад з высокім Q з пункту гледжання сістэмы з'яўляецца эфектыўным спосабам пераадолець вузкае месца прадукцыйнасці радыёчастотных інтэрфейсаў і павысіць агульную канкурэнтаздольнасць галіны. Мы таксама з нецярпеннем чакаем паглыбленага абмену паміж калегамі па галіны ў галіне даследаванняў і распрацовак прылад, праектавання схем, прымянення сістэмы і іншых аспектаў, каб сумесна садзейнічаць бесперапыннаму прагрэсу радыёчастотнай і мікрахвалевай тэхналогіі і закласці трывалую апаратную аснову для тэхналогій мабільнай сувязі наступнага пакалення.