ますます小型のフォーム ファクタの送信機/受信機で信号を伝搬するために、厳しい環境でより厳しいリンク バジェットを必要とする 通信 および RF/ミリ波 アプリケーションが増えています。これは、さまざまな業界分野で見られる傾向です。たとえば、5Gのセルラー基地局 (gNB) のサイズが縮小される (スモール セル) か、複雑さが増す (mMIMO) セルラー アプリケーションがあります。また、従来は単一の巨大なGEO衛星を必要とする衛星通信もありますが、これは高スループット衛星 (HTS) から、最近登場したLEOコンステレーションに見られる小型衛星に移行しています。さらに、ミリ波アプリケーションの使用が大幅に増加し、かつてはまばらで広大だったスペクトル空間が乱雑になっています。これらの高周波アプリケーションでは、高周波での波長が小さくなるため、より小さなコンポーネントが必要になります。
5Gのミリ波セルラー アプリケーション以外にも、自動車レーダー アプリケーション、イメージングのユース ケース、さらには医療への応用も考えられます。この記事では、パワーアンプ (PA) の設計上の考慮事項に主に焦点を当て、小型システム パッケージを維持しながら、 トランスミッター の出力電力を最大化するという課題について説明します。さらに、さまざまな最新の通信システムのPA設計における課題についても触れ、さまざまなアプリケーションに見られる固有のシステム要件と、それがPA設計パラメータにどのように影響するかについて、より詳細な視点を提供することを目的としています。
リンクバジェットの最大化
信号伝送にはさまざまな環境があり、それぞれにマルチパス フェージングやその他の損失 (たとえば、破壊的干渉、ボディ損失など) を引き起こす独自のタイプの障害物があるため、リンク バジェットの式は急速に複雑になる可能性があります。さらに、送信機内にはさまざまなアンテナ フィードと損失の原因が存在します。簡単なリンク バジェットの式は、 式1 に示されています。ここで、PRX/PTX は受信/送信電力、GRX/GTX は受信/送信アンテナのゲイン、LTX/LRX は送信機/受信機の損失、LFS は自由空間損失、LM はその他の損失を表します。
方程式1
式から明らかなように、送信機の出力電力と送信機/受信機のアンテナ利得が受信電力に大きく影響します。送信機内にある一般的なコンポーネントのうち、高出力アンプ (HPA) は、送信機の電力出力、つまり送信機の出力で生成される実際の電力を主に制御します。RFシステム内で送信電力を最大化することは、送信アンテナと受信アンテナのHPAとゲインを最適化することにつながります。
アクティブ電子走査アレイ (AESA) とフェーズドアレイアンテナを使用したアンテナ設計の分野では大きな進歩が遂げられており、正確な場所に指向性の高い高ゲインビームを提供しています。ただし、この記事の残りの部分では、簡潔にするために、主にPAアプリケーションの考慮事項と設計手法に焦点を当てます。
PAの選択
PAの選択はアプリケーションによって異なります。携帯電話基地局（マクロセル）の場合、これは通常Si LDMOSでしたが、最近ではGaN HPAに移行しています。高い送信電力と高周波電力の両方を備えたレーダー アプリケーションでは、通常、クライストロンやTWTAなどの真空管テクノロジが使用されますが、一部の反復では、ガリウム ヒ素 (GaAs)、窒化ガリウム (GaN)、またはSiベースのPAなどのさまざまなIII-IV半導体を利用したソリッド ステート電力増幅器 (SSPA) が使用されます。
無線端末、モバイル デバイス、ウェアラブルなどの小型で低電力のコンポーネントの場合、コストとアクセス性を考慮して、GaAsベースまたはSiベースのパワー アンプが使用されることがあります。上記のアプリケーションの多くは、この半導体の優れた電力処理性能を利用して、すでにGaNベースのSSPAの利用に切り替え始めています。これにより、リンク バジェット、熱設計、および直線性/効率アンプの制約に関する設計上の制約が緩和されます。
PA設計における出力、直線性、効率のバランスを理解する
最も基本的な形態では、パワーアンプは、非線形性が必然的に最小限に抑えられる弱い非線形のアクティブコンポーネントです。これは、周波数逓倍器やミキサーなどの他のアクティブな非線形コンポーネントとは異なります。これらのコンポーネントでは、非線形性が積極的に活用され、線形現象の影響が最小限に抑えられながら、望ましい結果が生成されます。出力電力と直線性の要件は通信システムによって設定されますが、ゲインや効率などの要素は、設計の柔軟性が高くなる傾向があります (システムがエネルギー制約を受けていない限り)。小信号レベルでは、出力電力と入力電力の比率は駆動レベルで一定であり、小信号ゲインに等しくなりますが、入力電力が増加するとゲインが安定し（圧縮領域）、最終的には飽和状態になり、入力電力が増加しても出力電力は増加しなくなります。
アンプの必要な出力電力が増加すると、ゲインはそれほど重要なパラメータではなくなり、むしろ電力付加効率（PAE）がコンポーネントの評価に有用な測定基準になります。PAEは、出力電力と入力電力の差と供給電力（式2）。
式2
DCバイアスに関する入力電力と出力電力のこの差は、アンプ内のエネルギー分布を評価することを可能にする。出力電力に向かわないエネルギーは、他の周波数成分で負荷に供給される電力として、または熱として消費される必要がある。 1。このため、効率の最適化によりDC電力消費の制約が緩和され、同時に熱管理システムも簡素化されます。図1たとえば、BSアーキテクチャ内のさまざまなコンポーネントの電力消費の内訳のサンプルを示します。BS内での電力消費の最大の原因であるPAの電力消費を節約することで、エネルギー節約を大幅に改善できます。しかし、アンプの場合、効率と直線性の間でバランスを維持する必要があります。アンプの効率を高めるには、変調された波形がすぐに歪む可能性がある飽和点近くまでアンプを駆動することがよく必要になります。ただし、信号の歪みを避けるためにアンプを大きなバックオフに保つと、コンポーネントの効率が低下します。この設計上の難問は、ピーク対平均電力比 (PAPR) の高い振幅/位相変調方式を使用する無線システムで容易に発生し、代替チャネル電力比 (ACPR) の要件を満たすために増幅器が線形領域内に留まることが求められます。
図1: 典型的なマクロセルBSの推定消費電力2
アプリケーションごとのサイズ、重量、出力、直線性、効率の考慮事項
5Gマクロセル
次世代のセルラー ネットワークでは、世界中で接続されるユーザーの増加にシームレスに最適なサービスを提供するために、さまざまなテクノロジ、プロトコル、処理手法が求められています。3GPPのNew Radio (NR) には、スタンドアロン (SA) と非スタンドアロン (NSA) の両方の反復で標準化された無線技術が多数あります。キャリア アグリゲーション (CA)、協調マルチポイント (CoMP)、ネットワークの複数入力複数出力 (MIMO)、干渉調整などのさまざまなスペクトルおよびスループット強化技術により、ネイティブHPAに高い直線性と効率性の両方が必要になる場合があります。
CA機能では、同じ端末から複数のキャリアを送信して、より高いデータ レートを実現します。これは、連続したスペクトル ブロックまたは個別のセクションのいずれかを使用して、連続形式または非連続形式にすることができます。非連続形式のCAでは、単一のユーザー端末に同時に送信する2つの非連続キャリア間の干渉を回避するために、PAに追加のバックオフが必要になる場合があります。この干渉により、強い相互変調成分が発生し、最終的に送信機が厳しい放射要件を満たせなくなる可能性があるためです。これは、効率と直線性の間には常に設計上のトレードオフが存在するため、アンプが直線領域内で動作するほど効率が低下するため、アンプの効率に影響します。
4G-LTE以降の新しい世代のセルラー ネットワークでも、以前3Gで使用されていたW-CDMAではなく、OFDM変調方式が使用されています。OFDMが実現する高スループットには、ピーク対平均電力比 (PAPR) が高くなるという欠点があります。PAはクリッピングを回避するために高いダイナミック レンジを必要とし、そのためバックオフで動作する必要があり、結果として電力効率が低下します。
ミリ波
Massive MIMOは5G向けに高度に研究開発された技術で、基地局は数百本のアンテナを搭載し、通信を調整して高いスペクトル効率を実現し、所定の帯域幅 (b/s/Hz) 内で1秒あたりに送信されるビット数を最適化します。この技術により、複数のアンテナ構造とチャネル状態情報 (CSI)、または受信機や送信機が送信/受信方法を更新するようにガイドする瞬間的なチャネルゲインを使用して、アップリンク信号とダウンリンク信号を多重化および逆多重化することで、希少なスペクトルのより積極的な周波数再利用と、すべての端末にわたるより均一なサービス品質 (QoS) が可能になります。各基地局には膨大な数のアンテナ（最大数千）を装備することができ、各アンテナにはそれぞれ独自のRFフロントエンドが備わっています。そして、個々のトランシーバー チェーンごとに、システム内のあらゆる損失、ノイズ、不均衡、非線形性が発生します。PA自体は、飽和に近い状態で動作しているときに非線形性を追加します。ただし、エネルギー効率 (EE) はモバイル ネットワーク オペレータ (MNO) の運用コストに直接関連するため、これらのPAでは効率と直線性のバランスが重要です。この点では、送信アンテナの最適な数、空間多重化のアンテナ数に直接相関するスペクトル効率、および各PAが動作する効率の間にも設計上のトレードオフがあります。
レーダーと衛星
従来のレーダーは、Lバンドからミリ波スペクトルまでの周波数で高い送信電力をサポートします。通常、これらのアプリケーションでは、高ピーク電力と高周波数の両方で確実に動作できる能力があるため、進行波管増幅器 (TWTA) やクライストロンなどの真空電子技術が活用されてきました。これは、kaバンドまで動作する宇宙セグメントと地上セグメントの両方の衛星アプリケーションにも適用されます。海洋レーダーから宇宙ベースの気象レーダーまで、HPAテクノロジーのバックボーンは比較的変わっていません。最近では、サイズと重量の節約のためにソリッドステート アンプが利用されています。これらのパラメータは、打ち上げコスト (ペイロードの重量に基づく) が多額の設備投資 (CAPEX) を必要とし、電子機器のスペースがかなり制限されることが多い航空宇宙アプリケーションに特に関連しています。通常、SSPAはTWTAの主要なパフォーマンス上の利点である高効率 (約70%) での動作を満たしていませんでした。しかし、GaNベースのSSPAの登場により、高い接合温度を維持しながらSSPAの効率は着実に向上できるようになりました。これは、平均故障時間 (MTTF) が長くなり、寿命が長くなるにつれて、高電力処理能力に直接つながります。ただし、効率、コスト、電力供給、重量/サイズの間で常にバランスが取れており、万能のソリューションは存在しないため、高出力、高周波システムから真空電子部品の実現可能性が完全になくなるわけではありません。
レーダーにおける大規模なHPAの考慮事項とは別に、AESAを実装するレーダーに対するPAの考慮事項もあります。mMIMOと同様に、これらのシステムには、それぞれ独自の送信/受信 (T/R) モジュールを備えたアンテナのアレイが装備されています。これらのモジュールには、高ゲインの指向性ビームを任意の方向に向けることができるように、構造/破壊的干渉をカスタマイズするための個別の位相シフターが搭載されていることがよくあります。ただし、これらのシステムでは、PAに厳しい効率性と直線性要件が課せられます。PAの出力電力が高いと、ビームのゲインが高くなりますが、実装温度が高くなるとハードウェア障害が発生する可能性があるため、熱管理を考慮する必要があります。特にAESAでは、予測可能な振幅と位相の一貫性を備えた複雑なビームフォーミング技術を実現するために、線形性も必要です。
ミリ波技術
AESAとmMIMOはミリ波スペクトル内で実現できるため、上記の考慮事項の多くはミリ波コンポーネントに適用されます。これらの技術に加えて、5Gのスモール セル技術の多くは、サイズ、重量、電力の制約が大きいミリ波スペクトル内で動作するように設定されています。高周波ではサイズはそれほど考慮されなくなりますが、電力管理はより重要な懸念事項になります。通常、GaN RFトランジスタは、その優れた電力密度と熱性能により、6GHz未満のシステムで主流となっています。しかし、GaAsなどの他の広いバンドギャップと高い電子移動度を持つ基板は、より高い周波数に対して有力な候補になります。これは、 図2 に示すように、飽和出力電力が高い場合 (PSAT) に動作効率が同程度になるためです。
図2: 狭帯域および広帯域PA効率と飽和電力3
ソリューション: 基板の選択と直線性と効率性を高める技術
より小型で軽量なフォームファクタで送信電力を最大化するという目標は、バランスを取る行為です。また、アプリケーションによっては、相対的なアンプ要件 (出力電力、直線性、ゲイン、効率) が変化する可能性があり、この特定の設計課題にさらなる複雑さが生じます。しかし、高電力密度のワイドバンドギャップ半導体材料、つまりGaNを利用することで、高効率で高出力の電力増幅器を実現できます。ユースケースによっては、これは非常に有用となる可能性があります。電力密度の低い基板材料は、より低い接合温度でより短時間に機能する必要があり、放熱、コンポーネントの信頼性、利用可能な送信電力に複雑な問題が生じます。
アンプがバックオフ内で適切に動作する必要があるシステムでは、エンベロープ トラッキング (ET) やドハティ アンプ トポロジなどの効率向上技術を採用できます。さらに、デジタル プリディストーション (DPD) などの線形化手法が実装されており、スペクトル漏洩を最小限に抑えながら、アンプが飽和領域近くで動作できるようになります。
結論
アンプは、ワイヤレス システム内で送信電力を最大化するための最も重要なコンポーネントの1つです。アンプクラス、基板、トポロジ、パッケージの理想的な選択は、特定のアプリケーションに関するいくつかのパラメータによって異なります。これには、伝播環境、使用されるスペクトル、変調方式が含まれ、基本的な増幅器設計パラメータのバランスにつながります。
- マイクロ波および無線回路における相互変調歪みJose Carlos Pedro
- L. M. Correia 他、「エネルギーを考慮したモバイル無線ネットワークの課題と実現技術」、 IEEE Communications Magazine、vol. 48、no. 11、pp. 66-72、2010年11月、doi: 10.1109/MCOM.2010.5621969。
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