مع النشر التجاري المتسارع لـ 5G-Advanced والتقدم المستمر في الأبحاث المسبقة لـ 6G، تتطور أنظمة الاتصالات المتنقلة بسرعة نحو نطاقات تردد أعلى وعرض نطاق أوسع وتكامل أعلى واستهلاك أقل للطاقة. وباعتبارها الرابط الأساسي لأنظمة الاتصالات اللاسلكية، فإن الحد الأعلى للأداء للواجهات الأمامية للترددات اللاسلكية يحدد بشكل مباشر سعة التغطية ومعدل النقل وكفاءة استخدام الطاقة للشبكات.

من منظور التصميم المشترك بين أجهزة الطاقة النشطة والمكونات السلبية عالية التردد، تحلل هذه الورقة التحديات الحالية المتمثلة في توسيع النطاق والكفاءة العالية والتصغير التي تواجهها الواجهات الأمامية للترددات الراديوية، وتجمع بين التطور المتكامل للجيل الثالث من MMICs لطاقة أشباه الموصلات والدور الحاسم للمكثفات الخزفية متعددة الطبقات عالية الجودة في شبكات مطابقة وتصفية التردد اللاسلكي. تناقش هذه الورقة أيضًا القيمة الهندسية للتحسين التعاوني على مستوى الجهاز لتحسين الأداء العام لأنظمة التردد اللاسلكي، وتتوقع اتجاه تطوير التكنولوجيا لأجهزة التردد اللاسلكي في عصر الجيل السادس.

بدءًا من النشر على نطاق واسع لمحطات قاعدة ماكرو 5G، إلى تنفيذ قدرة الوصلة الهابطة بسرعة 10 جيجابت في الثانية في 5G-A، وإلى الاتجاهات الفنية المحددة لـ 6G مثل تيراهيرتز والأسطح العاكسة الذكية، يفرض كل جيل من تكرار الاتصالات المتنقلة متطلبات أداء صارمة بشكل متزايد على الواجهات الأمامية للترددات اللاسلكية. في الوقت الحاضر، تواجه الصناعة ثلاثة تحديات أساسية:

الأول هو تحدي توسيع النطاقات. يتطلب الطلب على تجميع الموجات الحاملة عبر النطاق في 5G-A وتغطية النطاق الكامل أقل من 10 جيجا هرتز في 6G أن تتميز مضخمات طاقة التردد اللاسلكي بعرض نطاق ترددي فوري واسع. زادت صعوبة تصميم مطابقة الشبكات مع الأجهزة المنفصلة التقليدية بشكل كبير، وتقييد خصائص استجابة التردد للأجهزة المنفعلة بشكل مباشر حد عرض النطاق الترددي للأنظمة.

أما التحدي الثاني فهو تحدي كفاءة استخدام الطاقة. في إطار هدف "الكربون المزدوج"، أصبحت كفاءة استخدام الطاقة في المحطة الأساسية مؤشر تقييم أساسي للمشغلين. لقد اقترب تحسين بنيات دوهرتي وتقنيات التشويه الرقمي تدريجياً من عنق الزجاجة النظري. يجب أن يمتد تحسين كفاءة الطاقة إلى جانب الجهاز، مع بذل جهود متزامنة من كل من تكرار العملية للرقائق النشطة وتحسين فقدان الأجهزة السلبية.

أما التحدي الثالث فهو تحدي التصغير. مع زيادة عدد قنوات MIMO الضخمة من 64 إلى 128، يستمر الفضاء الداخلي لوحدات الهوائي النشطة (AAU) في التقلص. لقد أصبح تكامل الأجهزة وتركيب السطح والتصغير من الاتجاهات الحتمية، مما يضع متطلبات أعلى لموثوقية الحزمة والاتساق وتوافق التجميع الآلي للأجهزة.

وفي هذا السياق، لم تعد ترقية أداء جهاز واحد قادرة على تلبية المتطلبات على مستوى النظام. أصبح التصميم المشترك والاختيار المشترك لأجهزة الطاقة النشطة والأجهزة السلبية عالية التردد طريقًا مهمًا لاختراق أداء الواجهات الأمامية للترددات اللاسلكية.

وباعتباره الجهاز النشط الأساسي للواجهات الأمامية للتردد اللاسلكي، فإن المسار الفني لمضخمات الطاقة يتحول بسرعة من حلول الترانزستور المنفصلة إلى حلول MMIC المتكاملة تمامًا. لا تعمل أجهزة طاقة أشباه الموصلات من الجيل الثالث، التي تمثلها عمليات LDMOS وGaN، على تحسين جهد الانهيار وطاقة الخرج بشكل مستمر فحسب، بل تعمل أيضًا على تطوير التكامل المعماري بشكل عميق.

خذ على سبيل المثال Doherty MMIC المدمج بالكامل والمكون من ثلاث مراحل لنطاق 3.3-3.8 جيجا هرتز 5G. تتطلب حلول Doherty المنفصلة التقليدية مقسمات طاقة خارجية ومجمعات ومجموعات متعددة من الشبكات المطابقة والدوائر المتحيزة، مما يؤدي إلى وجود عدد كبير من مكونات قائمة مكونات الصنف (BOM) وبصمة PCB كبيرة وصعوبة التحكم في تناسق التجميع، مما يؤثر بشكل مباشر على استقرار الإنتاج والأداء في الإنتاج الضخم. في المقابل، يدمج Doherty MMIC المتكامل تمامًا الترانزستورات الحاملة، والترانزستورات الذروة، ومقسمات طاقة الإدخال، ومجمعات الإخراج وشبكات المطابقة المسبقة على الرقاقة كلها على شريحة واحدة، مما يحقق مقاومة إدخال 50 أوم ومقاومة إخراج موحدة، مما يقلل بشكل كبير من صعوبة تصميم المطابقة الخارجية.

ولا تكمن القيمة الأساسية لهذه الأجهزة المتكاملة في تقليل الحجم فحسب، بل أيضًا في إمكانية تكرار الأداء. تتم معايرة شبكات المطابقة المتكاملة على الشريحة بدقة من قبل الشركة المصنعة، مع تناسق بين القنوات أفضل بكثير من الحلول المبنية بأجهزة منفصلة. وفي الوقت نفسه، فهي تدعم التحكم المستقل في التحيز لمسارات الموجة الحاملة ومسارات الذروة، مما يسمح بتعديل مرن للتوازن بين الكفاءة والخطية لسيناريوهات التطبيقات المختلفة، والتكيف تمامًا مع المتطلبات المتنوعة لمحطات الماكرو 5G والمحطات الصغيرة والهوائيات النشطة الضخمة MIMO.

في أنظمة الواجهة الأمامية للتردد الراديوي، غالبًا ما يتم التغاضي عن الأجهزة المنفعلة، ولكن أداء شبكات مطابقة المعاوقة ودوائر مرشح الالتفافية ودوائر حجب الاقتران/التيار المستمر تحدد في النهاية الكفاءة الفعلية والخطية والاستقرار التشغيلي لأنظمة مضخمات القدرة. من بينها، المكثفات الخزفية متعددة الطبقات RF (MLCC)، باعتبارها واحدة من الأجهزة السلبية الأكثر استخدامًا، لها عامل Q الخاص بها، ومقاومة السلسلة المكافئة (ESR)، ومحاثة السلسلة المكافئة (ESL) ودقة السعة تؤثر بشكل مباشر على فقدان الإدراج واتساق المعلمة للشبكات المطابقة.

بأخذ المكثفات الخزفية ذات الترددات العالية Q RF من سلسلة 100B كمثال، فإنها تعتمد مادة عازلة من البورسلين مع معامل درجة الحرارة P90، مع عملية تلبيد السيراميك الكثيفة وتصميم هيكل الحث الطفيلي المنخفض. يمكنهم تحقيق عامل Q أعلى بكثير وخسارة إدخال أقل في نطاقات الترددات العالية مقارنة بـ MLCCs العادية. في الشبكات المطابقة لمضخمات طاقة التردد اللاسلكي عالية الطاقة، يمكنها تقليل توليد الحرارة وفقدان الكفاءة بشكل فعال بسبب الفقد السلبي، وتحسين كفاءة الصرف الإجمالية لمضخمات الطاقة.

بالنسبة للسيناريوهات ذات متطلبات الدقة المختلفة، تشكل مكثفات الترددات اللاسلكية عالية الجودة تدرجًا كاملاً للتسامح: تعد الأجهزة ذات درجة الدقة ±1% مناسبة لشبكات المطابقة الدقيقة والسيناريوهات ذات المتطلبات الخطية العالية، مما يضمن اتساق المعلمات بين القنوات في الإنتاج الضخم وتقليل تكاليف المعايرة وتصحيح الأخطاء؛ تعمل الأجهزة ذات درجات التسامح ±2% و±5% على موازنة الأداء والتكلفة على التوالي، والتكيف مع درجات مختلفة من معدات الترددات اللاسلكية الصناعية والمدنية. وفي الوقت نفسه، يمكن لتصنيفات تحمل الجهد العالي البالغة 500 فولت وما فوق أن تتكيف تمامًا مع دوائر التحيز عالية الجهد لمضخمات الطاقة عالية الطاقة. إلى جانب تقنية الإنهاء عالية الموثوقية المصنوعة من الرصاص والقصدير، يمكنها تلبية متطلبات التشغيل في درجات الحرارة الواسعة من -55 درجة مئوية إلى +175 درجة مئوية، والتكيف مع بيئات التطبيقات القاسية مثل المحطات الأساسية والرادار والفضاء.

في التصميم الهندسي العملي، لا يتم اختيار أجهزة الطاقة النشطة والأجهزة السلبية بشكل مستقل. إن المطابقة التعاونية بين الاثنين هي المفتاح لتحقيق الأداء الأمثل للنظام.

الأول هو التصميم التعاوني لمطابقة المعاوقة. تحدد خصائص مقاومة الخرج لـ MMICs الطاقة الهيكل ومعلمات المكونات للشبكات المطابقة. يجب تضمين معلمات ESR وESL للمكثفات عالية الجودة في النموذج العام لمحاكاة المطابقة، بدلاً من استخدام نماذج المكثفات المثالية فقط. يمكن للمحاكاة المشتركة باستخدام الأجهزة السلبية عالية الجودة مع النماذج المقاسة أن تحسن بشكل كبير الاتساق بين نتائج المحاكاة والاختبارات الفعلية، وتقليل تكرارات التصميم وتقصير دورات البحث والتطوير للمنتج.

الثاني هو السيطرة التعاونية على التسامح والاتساق. تتمتع MMICs ذات الطاقة المتكاملة بتناسق عالٍ في المعلمات. إذا كان التسامح مع المكثفات المطابقة كبيرًا جدًا، فسوف يصبح المصدر الرئيسي لتقلبات أداء الارتباط بأكمله. في تصميم قناة التردد اللاسلكي عالي الدقة، يمكن لاستخدام مكثفات Q عالية التسامح بنسبة ±1% المقترنة بأجهزة MMIC المدمجة التحكم في تقلبات الكسب بين القنوات ضمن نطاق صغير جدًا، مما يقلل بشكل كبير من عبء عمل المعايرة لأنظمة Massive MIMO متعددة القنوات.

والثالث هو المطابقة التعاونية للموثوقية. في سيناريوهات الترددات اللاسلكية عالية الطاقة، يتم توصيل درجة حرارة الوصلة لترانزستورات الطاقة إلى الأجهزة السلبية المحيطة من خلال مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، في حين تمارس دوائر التحيز ذات الجهد العالي ضغط جهد طويل المدى على المكثفات. يمكن أن يؤدي اختيار مكثفات التردد اللاسلكي ذات نطاق درجة الحرارة الواسع، وتحمل الجهد العالي، والإنهاء عالي الموثوقية إلى مطابقة درجة موثوقية أجهزة الطاقة، ومنع الأجهزة السلبية من أن تصبح اللوحة القصيرة لعمر النظام، وضمان استقرار المعدات أثناء الخدمة طويلة المدى.

بالنسبة لعصر الجيل السادس، ستتطور الواجهات الأمامية للترددات اللاسلكية نحو نطاقات تردد أعلى، وتكامل أعلى وذكاء أعلى، كما ستقود تكنولوجيا الأجهزة إلى جولة جديدة من التحول.

على مستوى معالجة الجهاز، ستستمر عمليات مثل GaN-on-SiC وGaN-on-Diamond في التكرار، مما يزيد من تحسين كثافة الطاقة وقدرة تبديد الحرارة لدعم خرج الطاقة في نطاق تيراهيرتز. على جانب الجهاز السلبي، ستصبح المواد العازلة والتصميمات الهيكلية ذات عامل Q الأعلى والمعلمات الطفيلية المنخفضة هي محور البحث والتطوير لتلبية الطلب منخفض الخسارة على نطاقات الموجات المليمترية والتيراهرتز.

على مستوى نموذج التكامل، ستكون الحدود بين المكونات النشطة والسلبية غير واضحة بشكل أكبر. سيصبح نظام الترددات الراديوية في الحزمة (SiP) القائم على التكامل غير المتجانس وتقنية التغليف ثلاثية الأبعاد هو الاتجاه السائد، حيث سيدمج مضخمات الطاقة ومكبرات الصوت منخفضة الضوضاء والمرشحات والمكثفات المطابقة والشبكات المنفعلة في حزمة واحدة لتحقيق تصغير وتوحيد الواجهات الأمامية للترددات اللاسلكية.

على مستوى أبعاد التطبيق، ستطرح تقنيات 6G الأساسية مثل الواجهات الأمامية للترددات اللاسلكية القابلة لإعادة التشكيل والأسطح العاكسة الذكية متطلبات جديدة لضبط وسرعة استجابة الأجهزة. سيصبح الجمع بين الأجهزة السلبية عالية الجودة القابلة للضبط وأجهزة الطاقة القابلة لإعادة التشكيل ذات النطاق العريض اتجاهًا مهمًا للاستكشاف الفني المستقبلي.

تعد تقنية الترددات اللاسلكية والميكروويف الدعم الأساسي لصناعة الاتصالات اللاسلكية. إن كل قفزة في أجيال الاتصالات لا يمكن فصلها عن الإنجازات التكنولوجية والابتكار الهندسي لأجهزة الترددات اللاسلكية. في الفترة الحرجة لتعميق النشر التجاري لـ 5G-A وتسريع البحث المسبق لـ 6G، يعد اختراق قيود أداء الأجهزة الفردية وتعزيز التصميم المشترك والتحسين المشترك لأجهزة الطاقة النشطة والأجهزة السلبية عالية الجودة من منظور النظام، طريقًا فعالًا لاختراق عنق الزجاجة في أداء الواجهات الأمامية للترددات اللاسلكية وتعزيز القدرة التنافسية الشاملة للصناعة. ونحن نتطلع أيضًا إلى تبادلات متعمقة بين زملاء الصناعة في مجال البحث والتطوير للأجهزة، وتصميم الدوائر، وتطبيق النظام والجوانب الأخرى، من أجل تعزيز التقدم المستمر لتكنولوجيا الترددات اللاسلكية والميكروويف بشكل مشترك ووضع أساس متين للأجهزة لتقنيات الاتصالات المتنقلة من الجيل التالي.