Suministro de potencia RF a nivel de vatios para SATCOM en banda K y front-ends de radar

Las comunicaciones por satélite y los sistemas de radar requieren cada vez más cadenas de transmisión RF compactas que ofrezcan una alta potencia de salida sin saturar el tamaño de la plataforma. Esta demanda es especialmente crítica en aplicaciones como cargas útiles de satélites, terminales SATCOM, sistemas aeroespaciales de RF y front-ends compactos de radar, donde la potencia de salida también debe equilibrarse con la eficiencia eléctrica y las limitaciones térmicas.

Lograr este equilibrio se vuelve cada vez más difícil a medida que las frecuencias de operación se acercan a los 20 GHz. En banda K, los diseñadores de RF no pueden simplemente añadir ganancia y esperar una cadena de transmisión práctica. Las pérdidas entre conductores y paquetes aumentan, y la adaptación de impedancia se vuelve más sensible. Además, la densidad térmica aumenta, mientras que la linealidad del amplificador limita la potencia de salida utilizable mucho antes de que un dispositivo alcance su potencia saturada.

Por lo tanto, los diseñadores necesitan amplificadores de potencia que entreguen salida RF a nivel de vatios desde entradas de milivatios, reduciendo la carga de integración en el front-end de RF circundante. Las implementaciones de matriz sin revestir o muy personalizadas ofrecen flexibilidad de diseño, pero también aumentan las exigencias de ensamblaje, emparejamiento, disposición y repetibilidad en producción.

Los amplificadores de potencia de circuito integrado de microondas monolíticos (MMIC) empaquetados ofrecen otra vía al integrar más de la etapa de potencia RF en un dispositivo compacto y fabricable. Sin embargo, extraer potencia RF a nivel de vatios de un chip tan pequeño concentra mucha potencia en un área diminuta, y con aproximadamente un tercio de eficiencia, la mayor parte de la corriente continua que el amplificador consume se mantiene en forma de calor. Este calor, concentrado en unos pocos milímetros cuadrados, eleva la temperatura de la unión y puede erosionar la ganancia, la eficiencia y la fiabilidad si no se gestiona.

La solución de este problema corresponde al material semiconductor del amplificador. El material debe mantener una alta densidad de potencia mientras elimina el calor que genera. GaN-on-SiC hace ambas cosas. El alto voltaje de ruptura del nitruro de galio permite operar a alta tensión y alta densidad de potencia en un chip pequeño, y el sustrato de carburo de silicio que se encuentra debajo disipa el calor concentrado lejos de la región activa.

Cómo el QPA1722 es compatible con cadenas de transmisión compactas en banda K

Qorvo ofrece un amplificador compacto GaN-on-SiC que combina salida en banda K a nivel de vatios, alta eficiencia e integración front-end en el chip. El QPA1722 (Figura 1) es un amplificador de potencia GaN MMIC de alta potencia para aplicaciones front-end de RF que requiere una salida a nivel de vatios desde 17.7 GHz hasta 20.2 GHz, lo que lo convierte en un amplificador de potencia en banda K. Se sitúa en el extremo de la antena de la cadena de transmisión, después de las etapas de transmisión y de frecuencia, donde la señal debe ser lo suficientemente fuerte para cerrar un enlace satelital o devolver un eco de radar, por ejemplo.

Figura 1: El QPA1722 entrega 10 W de salida en banda K en un MMIC compacto de montaje superficial. (Fuente de la imagen: Qorvo)

El dispositivo suministra 40 dBm (10 W) de potencia saturada de salida desde una entrada de 22 dBm (aproximadamente 160 mW). Aunque la potencia saturada define la potencia máxima del dispositivo, la cifra lineal es más relevante para las comunicaciones. El QPA1722 suministra 37 dBm (unos 5 W) de potencia lineal de salida. Las formas de onda SATCOM moduladas exhiben picos altos y superar la región lineal provoca un rebrote espectral que derrama energía en canales adyacentes. El escalón de 3 dB desde el techo de 40 dBm hasta el punto lineal de 37 dBm ofrece a los diseñadores margen de mando intercambiable para mantener la señal limpia. Aun así, la linealidad es moderada: el IMD3 de dos tonos se sitúa a -25 dBc a 34 dBm por tono, lo que una modulación densa combinaría con back-off ascendente o predistorsión digital.

El dispositivo también proporciona 26 dB de ganancia de señal pequeña, reduciendo la cantidad de potencia de transmisión requerida por las etapas del amplificador anteriores. Esto simplifica el diseño de cadena de transmisión al permitir que el QPA1722 proporcione una gran parte de la ganancia de potencia requerida en un único dispositivo empaquetado.

La eficiencia es otra consideración importante en el diseño. Con un 35% de eficiencia añadida en potencia, una parte significativa de la potencia CC del amplificador se disipa en forma de calor, concentrada en un paquete de milímetros de ancho. El calor es inevitable en amplificadores de banda K. Sin embargo, la construcción GaN-on-SiC del amplificador de potencia SATCOM QPA1722 lo saca de la región activa, asegurando que el amplificador mantenga una salida a nivel de vatios sin que la reducción térmica que un material menos capaz forzaría.

El dispositivo también incluye funciones de integración para simplificar la implementación de front-end RF. Está completamente adaptado a 50 Ω en ambos puertos, eliminando la necesidad del ajuste externo con pérdida que de otro modo diseñarías en banda K. Los puertos de E/S están conectados a tierra CC para mayor resistencia a ESD, junto con capacitores bloqueadores integrados en el chip que siguen esas masas CC en la entrada y salida.

Un detector de potencia integrado completa las características integradas en el chip. Informa del nivel de salida para diagnósticos, calibración o control en bucle cerrado sin acoplador externo, permitiendo a los diseñadores del sistema monitorizar eficazmente el sistema. En sistemas de RF donde el rendimiento puede variar con la temperatura, el envejecimiento, el modo de funcionamiento o las condiciones de la antena, la detección integrada puede proporcionar una visibilidad útil sobre la trayectoria de transmisión.

El amplificador de potencia de banda K QPA1722 se distribuye en un cuerpo compacto de montaje superficial de 6.0 mm × 5.0 mm × 1.64 mm. Sus dimensiones permiten a los diseñadores instalar amplificación en banda K a nivel de vatios en un front-end con espacio limitado sin necesidad de pasar a un módulo más grande o una construcción híbrida. Cada componente está 100% probado en CC y RF según sus especificaciones eléctricas, y el dispositivo es libre de plomo y cumple con RoHS, lo que lo hace adecuado para comunicaciones comerciales y militares.

Conclusión

A medida que SATCOM y los front-end de radar pasan a plataformas compactas y limitadas, los diseñadores de RF necesitan formas prácticas de entregar potencia de transmisión a nivel de vatios cerca de los 20 GHz sin agregar complicidad de integración. El amplificador de potencia GaN QPA1722 de Qorvo incorpora 10 W de salida en banda K, eficiencia competitiva y adaptación y detección en chip en un MMIC compacto de montaje superficial, proporcionando a los front-ends con espacio limitado una etapa de transmisión completa en una parte.