magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

arowwA technológia – a problémák megoldása és a teljesítmény javítása érdekében – a mai világban továbbra is a magasabb frekvenciák irányába mozdul el. A legszigorúbb követelmények megoldására a milliméter hullámhosszúságú (mmWave) frekvenciák nyújtanak lehetőséget számos iparágban, például a kommunikációban és a hadiiparban.

 

 

Az 5G kommunikációs rendszerek profitálnak a védelmi vállalatok – különböző alkalmazások hasonló igényeihez – évek óta végzett kutatásaiból. A telekommunikációs kapcsolatokban, ahol a nagyobb adatsebesség igénye továbbra is meghaladja a meglévő technikákat, a 28 GHz-es és 39 GHz-es frekvenciákra történő váltás jelenti a megoldást.
A megnövekedett nagyfrekvenciás IC-fejlesztéseknek az eredménye a védelmi célú technológiák számának növekedése.
A védelmi alkalmazások – például a tengeren rekedt személyzet megmentése – esetében előnyt jelent a nagyfrekvenciás radarok jobb felbontása, amely egyértelműbben képes meghatározni az objektumok helyét. Ezen túlmenően a távközlésre tervezett integrált áramköröknek olcsónak és nagy volumenű gyártásra alkalmasnak kell lenniük, alkalmazásuk könnyebb elterjedése érdekében. Annak ellenőrzésére, hogy az új fejlesztések tökéletesen működnek-e az adott alkalmazási környezetben, megfelelő teszteszközök megjelenésére is szükség van.
Ez a cikk röviden leírja, hogy milyen iparágakra gyakorol hatást a széleskörűen alkalmazható technológia, és hogyan reagálnak az IC ellátási láncok az új követelményekre. Azt is bemutatja, hogy a milliméter hullámhosszúságú frekvenciák hogyan segítenek megoldani a ma kihívásait – az ezt lehetővé tevő Analog Devices technológia példáinak bemutatásával.

 

A vezeték nélküli elektronika összefonódott világa

A különböző iparágak gyakran profitálhatnak egy másik terület alkalmazásaiban létrehozott technológiából. A mikrohullámú sütő felfedezését például egy radarokkal dolgozó mérnöknek tulajdonítják, aki észrevette, hogy a tesztelés során az ebédje olvadni kezdett. Látjuk, hogy történik ez ma az 5G telekommunikáció területén, ahol megpróbálják felhasználni azokat az előnyöket, amelyeket a védelmi ipar a fázisvezérelt antennarendszerekkel hozott létre. Nagyon valószínű, hogy a védelmi ipar a jövőben szintén alkalmazni fogja az 5G fejlődésével létrehozott újabb technológiákat, ezáltal egy ciklikus kapcsolatot hozva létre.
Hasonlóképpen, a műholdas kommunikáció is technológiai változáson megy keresztül azáltal, hogy az egyenlítői geoszinkron pályán, illetve geostacionárius pályán (GEO) keringő műholdaktól tovább lép az alacsony Föld körüli pályán (LEO) keringő műholdakra, amelyek a bolygó jobb lefedettsége mellett nagyobb adatátviteli sebességet nyújtanak. Ezzel az ötlettel az egy vagy csak néhány Föld körül keringő GEO műhold helyett egy adott hálózat több ezer műholdjára vált. Sok üzemeltető próbál jelenleg új LEO konstellációkat létrehozni a szélessávú internethasználat érdekében, míg a műholdak szállítására pályázó vállalatok közül jónéhány ugyanaz a védelmi vállalat, amely a katonai megfigyelés és a kommunikáció szempontjából kritikus GEO műholdakat tökéletesítette.
A különböző piacokon kialakult, más célra létrehozott technológiából származó előnyök széles körben történő felhasználása az elkövetkező években is folytatódni fog.

 

Magasabb frekvenciák nagyobb adatátviteli sebességet és szélesebb kommunikációs sávszélességet tesznek lehetővé

A mobilkommunikáció elmúlt 20 évben történt elterjedése következményeként megnövekedett igény tapasztalható a nagyobb adatátviteli sebesség iránt. Néhány évente újabb és újabb vezeték nélküli szabványokat vezettek be, amelyek új protokollokat határoztak meg az adatátvitel növelése érdekében. Az átviteli sebesség javulásai gyakran összefüggenek a kifinomultabb modulációs sémákkal, amelyek egyszerre több információ továbbítására képesek. A modulációs sémák kifinomultabbá válásával növekszik a nagyobb adatmennyiségek továbbításának képessége. Elérkezik azonban az a pont, amikor a moduláció bonyolultságának további növelése nem eredményez jelentős javulást az áteresztőképesség terén. A jel modulálásának tehát egyik általános módja, hogy elosztjuk a jelet a vivőfrekvencia körüli frekvenciatartományban. Ebből következően az áteresztőképesség javításának másik módja a modulált jel (FBW) sávszélességének növelése annak minél szélesebb frekvenciatartományban történő elosztásával. A több adat egyidejű továbbításának igénye magasabb frekvenciákra való áttéréssel, a milliméter hullámhosszúságú frekvenciák irányába tolja az alkalmazásokat.

 

aroww 1

1. ábra  A modulációs sávszélesség középpontjában a vivőfrekvencia áll

 

Az 5G hatása az elektronikus hadviselésre

A mai katonai konfliktusokat egyre inkább elektronikus úton vívják, felvetve ezzel az elektronikus hadviselés gondolatát. Ennek egyik kulcsfontosságú eleme a radar, amely egyszerűen továbbít egy jelet, és megvárja, amíg visszatér, feltérképezve a radar látóterét. A radarrendszerek fő előnye az emberi látótávolságon kívül eső tárgyak észlelése és feltérképezése, ami jelentős fölényhez juttatja a radar kezelőjét egy radarral nem rendelkező ellenféllel szemben. Emiatt a radartechnikát az elmúlt 100 év alatt folyamatosan fejlesztették. Ennek eredményeként manapság láthatunk radart a napi időjárási jelentésekben, a légiforgalmi irányításban és az olyan feltörekvő alkalmazásokban, mint például az autóipar – ahol a radart használják az autó és egy tárgy közötti távolság érzékelésére. A hagyományos alacsony frekvenciájú radarrendszereket UHF és VHF frekvenciákon korai észlelési radarként használták nagyon nagy távolságokon.
A gyorsan mozgó repülőgépek egyre gyakrabban működnek a nagyobb felbontású és kisebb antennák alkalmazásának előnyét nyújtó X-sávtartományú frekvenciákon (8 GHz-től 12 GHz-ig).
A vadászgépekben rakéták telepítésére és célzására használt radarrendszerek pedig gyakran a Ka-sávba eső frekvenciákon (33–37 GHz) működnek. Az irányított lövedékek és rakéták számának emelkedésével összefüggésben komoly fejlesztési tevékenység tapasztalható a 94 GHz-es frekvencián. A radarrendszerek magasabb frekvenciákra való áttérésének számos előnye van, és láthatjuk ezeket az előnyöket, ha megvizsgáljuk a tartomány felbontását és a szögfelbontást, amelyek egy objektum felbontásának képességét hivatottak jellemezni. A magasabb frekvenciákra való áttérés első előnye, hogy csökken az egy adott szögfelbontás eléréséhez szükséges antenna mérete, ami a kis lövedékbe való beépítés kulcsa. Másik jelentős előny, hogy egy adott antennaméretnél magasabb frekvenciákon növekszik a szögfelbontás. A radar távolsági (tartomány) felbontása arányos a modulációs sávszélességgel, és amint korábban említettük, ez magasabb frekvenciákon javul. Mivel az alkalmazásoknak egyre nagyobb felbontásra van szükségük, előnyös a magasabb frekvenciákra való áttérés.
Hagyományosan a védelmi vállalatok elektronikus hadviselési rendszerei 2 GHz és 18 GHz között működtek, lefedve az S-, C-, X- és Ku-sáv tartományokban működő radarokat. A fenyegetések körének növekedésével az elektronika is fejlődik, és ellensúlyozza azokat. A 28 GHz-en és 39 GHz-en működő 5G berendezések közel állnak a rakétavezérléshez használt meglévő Ka-sávfrekvenciákhoz, ennek eredményeként az elektronikus hadviselési rendszerek új követelményei kiterjednek a 24 GHz és 44 GHz közötti 5G frekvenciákra, és ezeken a frekvenciákon sokkal több elektronika is elérhető lesz, amelyre a védelem is számíthat. Nagyon gyakran az elektronikus hadviselés fő szerepe az, hogy észlelje a fenyegetést, majd elektronikusan blokkolja azt, miközben észrevétlen marad. Mivel a fenyegetések különböző frekvenciákból származhatnak, a megfigyelő rendszereknek – amelyeket szorosan követnek a zavaró berendezések – széles frekvenciasávokat kell kezelniük.
Az 5G távközlés esetében alkalmazni kívánt fázisvezérelt antennarendszer számos olyan tulajdonsággal rendelkezik, amelyet a védelmi ipar is értékel. Az antennarendszer ilyen lényeges, alapvető tulajdonságai közé tartozik az a képesség, hogy több adatfolyam vagy sugárzási minta továbbítására képes. Védelmi alkalmazásokban ez teszi lehetővé a vadászgépek számára, hogy egyszerre több célpontot kövessenek, míg az 5G telekommunikációban egyszerre több felhasználónak továbbíthatnak adatokat. Hasonlóképpen, a védelmi alkalmazások számára olyan sugárnyaláb szükséges, ahol az energia egy irányba összpontosul, ennek köszönhetően alacsony a lehallgatás vagy zavarás valószínűsége. A telekommunikáció számára előnyös, ha kevesebb az energiafogyasztás, mert hatékonyabban lehet az információt a felhasználóhoz irányítani.
Mindkétfajta alkalmazásban előnyös, hogy a sugárnyaláb szinte azonnal áthelyezhető. Emellett még számos további előny is létezik, ami vonzóvá teszi ezt a technológiát mind a telekommunikációs, mind a védelmi ipar számára.

 

Az 5G hatása az IC-kre

A világ ma hihetetlen mértékben függ a mobilkommunikációtól. Az 5G mobil-infrastruktúrát támogató fejlett technológia jelentős növekedési terület sok távközlési berendezésszolgáltató és IC-beszállító számára, amint az a 2. ábrán látható. Ez a jelentős növekedési lehetőség millió, és talán milliárd dollárnyi befektetést jelent a következő generációs termékek megvalósításához. A rendszerek fő alkotóelemei az integrált áramkörök, amelyek az adatokat a hálózatokon keresztül továbbítják. Láthatjuk, hogy az IC ellátási lánc minden része adaptálódik és fejlődik (2. ábra). A félvezető-chipgyártási technológiáktól kezdve a végmérési eljárásokig jelentős újításokat látunk az e termékeket létrehozó folyamatban.
A chipgyártási szolgáltatásokat kínáló félvezetőgyárak folytonos innovációval gyártják az IC-k alapanyagát. Több félvezetőgyár új technológiai folyamatot fejlesztett ki, hogy versenyben maradjon és lehetővé tegye az új 5G technológiát. Egy ilyen fejlődési irány lehet a költséghatékonyabb optikai litográfia felé történő elmozdulás az elektronnyalábos litográfiához képest. További előny lehet ezen az árérzékeny piacon az új funkciók egyetlen folyamathálózati csomópontba integrálása.

 

aroww 2

2. ábra  5G IC ellátási lánc


Az IC-fejlesztés és -gyártás az új technológiák elérhetővé válásával fejlődik. Az új lehetőséggel az IC-tervező képes arra, hogy egyes funkciókat egyetlen termékben egyesítsen, vagy a korábbi lehetségeshez képest nagyobb teljesítményt hozzon létre. Ezek a trendek végül nagyobb integráltsági fokú és könnyebben felhasználható chipekhez vezetnek. Mivel az 5G révén a technológia az mmWave frekvenciák irányába fejlődik, szintén vonzó lehet a lehetőség, kihasználni az elektronikaszerelést megkönnyítő olcsó tokozás előnyeit. A hagyományos, mmWave frekvenciájú védelmi egységek chip-and-wire technológiával szerelt eszközök voltak, ami egy kis fémház, ahol a chipeket huzalok kötik egymáshoz. Ez a kis mennyiségű gyártás szerelési módszere, ami gyakran drágább, mint a felületszerelési technika. Ennek fő motivációját az elmúlt években a méretkorlátozások jelentették, azonban a nagyobb integráció kisebb tokban, megnövelt teljesítménnyel sokkal vonzóbbá teszi a felületszerelést.
Az olyan tesztlehetőségek, mint a vezeték nélküli hálózaton keresztüli teszt, valósággá váltak a fázisvezérelt antennarendszer és annak 28 GHz-es és 39 GHz-es frekvencián működő integrált áramköreinél. Korábban a fázisvezérelt antennarendszer teszteléséhez gyakran szükség volt egy visszhangmentes kamrára, amely nagy, nehezen felépíthető és drága volt. A jelenlegi tesztelési lehetőségek nagymértékben kiszélesítik azon gyártók számát, amelyek teljes antennamegoldást tudnak nyújtani a végtermék méréséhez szükséges jelentős beruházás nélkül. A főként a védelmi cégek és az egyetemek által felfedezett fázisvezérelt antennarendszer egyre inkább általános technológiává vált. Nemcsak esélyt ad az 5G lehetőségeit megcélzó telekommunikációs vállalatok számára, hogy kihasználják ezt az új technológiát, hanem támogatja is őket abban, hogy eredményesebben védekezhessenek a felmerülő fenyegetésekkel szemben. Valószínűsíthető, hogy a kevésbé tapasztalt antennamérnökök korábbi nehézségei is sokkal gyorsabban megoldhatók lesznek a műszergyártóktól kapható, pontos mérési technikákkal.
Ennek eredményeként sokkal több milliméter hullámhosszúságú termék érhető el az iparban, amelyek kommunikációban, valamint védelmi alkalmazásokban is telepíthetők. A mobil-infrastruktúrához használt termékek specifikációja és működése nagyon gyakran közel áll a védelmi és műszeripar követelményeihez. A könnyen elérhető IC-k és tesztmegoldások számának növekedése lehetővé teszi a végtermék előállításához szükséges idő lerövidítését, és jelentősen csökkenti a milliméter hullámhosszúságú frekvenciákban rejlő fenyegetések szintjét a védelmi ipar számára.

 

aroww 3

3. ábra  A HMC863A mért erősítése (balra) és OIP3 (jobbra) a hőmérséklethez viszonyítva

 

aroww 4

4. ábra  Az ADPA7005 mért teljesítménye (balra) és OIP3 (jobbra) a hőmérséklethez képest

 

Az Analog Devices segít abban, hogy több iparág érezze az 5G-hatást

Az Analog Devices jelentős mértékű befektetést hajtott végre az 5G távközlés megoldásainak fejlesztésében, az érintett műszer- és védelmi ipar mellett. A távközlési piac termékeinél általában keskenyebbek a frekvenciasávok, ezért a teljesítmény könnyebben optimalizálható. A védelmi ipar gyakran nagy sávszélességű megoldást igényel, mivel több olyan frekvencia létezik, ahonnan a fenyegetés fejlett ismeretek nélkül származhat.
A 28 GHz-es 5G távközlési infrastruktúrában használt teljesítményerősítő (PA) egyik példája a HMC863ALC4, amely 24 GHz-től 29,5 GHz-ig terjedő sávot lefedve, 0,5 W-nál nagyobb RF-teljesítményt szolgáltat. A teljesítményerősítő egy kis 4 mm × 4 mm-es felületre szerelhető tokban, közel 40 dBm-es harmadrendű intercept pont (TOI – third order intercept) jellemzővel. Az IC tipikus adatai a 3. ábrán láthatók (OIP3 – Output Third Order Intercept Point).

 

aroww 5

5. ábra  ADPA7005 fejlesztőkártya

 

Ezenkívül az Analog Devices olyan megoldásokat fejlesztett ki a védelmi és műszerpiac számára, mint például az ADPA7005 típus (5. ábra), amely 20–44 GHz-es működési sávszélességet támogat, és 1 W-nál nagyobb kimeneti teljesítményt szolgáltat a működési sávban. A névleges 15 dB-es, teljes frekvenciasávon keresztüli egyenletes erősítés az áramkört egyszerűen integrálhatóvá teszi komplett rendszerekben. Ezenkívül a magas, 40 dBm feletti TOI ideális a nagymértékben modulált bemeneti jelek mérésére vagy előállítására. A TOI és a maximális teljesítmény diagramjai a 4. ábrán láthatók.
A távközlési hálózatok fejlődése a következő években kibontakozó reakciót vált ki a periférikus iparágakban. A migráció középpontjába a további információ és az egyre több adat iránti elvárás került, amelyek következménye olyan új fegyverzet létrehozása lehet, ami fizikailag soha nem fog megsemmisíteni embert, objektumot. A ma alkalmazásai az egyre magasabb frekvenciák irányába haladnak és ez még csak a kezdet.

 

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak

 

Szerző: Keith Benson, Director – Amplifier Products

 

 

A szerzőről

Keith Benson 2004-ben diplomázott a Massachusettsi Egyetemen (Amherst) egy B.S.E.-n és a Kaliforniai Egyetemen (Santa Barbara) az M.S.E.-n. 2011-ben a nagyfrekvenciás erősítők és integrált frekvenciaváltó IC-k tervezésével foglalkozó tervezőcsoport vezetője, 2014 elején az erősítők termékeinek igazgatója lett a Hittite Microwave cégnél. 2014 júliusában a Hittite céget megvásárolta az Analog Devices, ahol az RF / mikrohullámú erősítők és a többfázisú rendszer IC-k termékcsoport igazgatója lett. Keith három amerikai szabadalommal rendelkezik, amelyek újszerű erősítő technikákkal kapcsolatosak.
Elérhető a keith.benson@analog.com címen.

 

 

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás, Senior Field Application Engineer
E-mail: tbihari@arroweurope.com
Tel.: +36 30 748 04 57