Сегодня новые системы связи обеспечивают быструю передачу данных и улучшают качество связи. Они становятся основой для различных технологий, таких как Интернет вещей (IoT), умные города и автономные транспортные средства. Эти технологии требуют надежной и быстрой передачи информации, что делает такие системы особенно важными из-за роста объемов данных и увеличения числа подключенных устройств. Для развития технологий связи нужны более эффективные усилители мощности, которые помогают сократить потребление энергии. Кроме того, такие усилители улучшают качество связи и расширяют охват сети, открывая новые возможности для инновационных приложений и услуг в области связи.
Характеристики усилителя мощности определяются нагрузкой, т.е. параметрами трансформирующих цепей на выходе усилителя. Характеристики усилителя мощности играют ключевую роль при работе с современными модулированными сигналами, обеспечивающие высокую пропускную способность канала связи. Эффективное управление нагрузкой позволяет оптимизировать работу усилителя, что напрямую влияет на качество сигнала, т.е. усиление сигнала без внесения искажений.
В современных модулированных сигналах мощность изменяется в широком динамическом диапазоне (например, в стандарте LTE – от 8 до 10 дБм). Обычные усилители мощности обеспечивают фиксированную выходную мощность, что не удовлетворяет требованиям предъявляемым к устройствам, предназначенных для работы со сложными сигналами. Такие усилители могут вносить нелинейные искажения и характеризуются низким коэффициентом полезного действия. Поэтому исследователи активно работают над созданием более энергоэффективных линейных усилителей мощности.
Доцент кафедры микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры (МИТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Павел Туральчук: «Мы провели тестирование разработанного нами макета сверхвысокочастотного усилителя мощности мощностью 6 Вт. Его уникальность заключается в использовании электронно управляемой выходной цепи в составе усилителя, обеспечивающей динамическую модуляцию нагрузки в соответствии с огибающей входного сигнала. Подобный усилитель можно будет использовать в частотных диапазонах, которые представляют интерес для современных систем связи, например, 4G и 5G».
Как правило, современные радиомодули базовых станций сотовой связи используют в своем составе архитектуры на основе так называемых усилителей мощности Догерти. В данном оборудовании используются два и более транзисторов для обеспечения модуляции нагрузки при изменении мощности сигнала. Такая схема позволяет сохранять высокую энергоэффективность и линейность в широком диапазоне выходных мощностей.
Поэтому перед исследователями из ЛЭТИ стояла задача создать такой прототип усилителя мощности, который мог бы иметь высокую энергоэффективность и линейность во всем динамическом диапазоне и, при этом, быть более компактным решением (по сравнению с усилителем мощности Догерти). Для этого они решили использовать электронно управляемые цепи в составе усилителя мощности на основе сегнетоэлектрических компонентов для эффективного управления нагрузкой без дополнительных активных элементов. Результаты исследования представлены в научном журнале Sensors.
На первом этапе ученые разработали управляемый усилитель мощности и модулятор управляющего напряжения. Далее они экспериментально исследовали характеристики, которые подтвердили эффективность предложенного решения.
Ассистент кафедры МИТ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Ирина Филипюк: «Нам предстоит провести еще несколько этапов исследования, которые направлены на проверку нашего устройства при работе с современными цифровыми сигналами. Предстоит работа над обеспечением синхронизации в канале управления модулятора с LTE сигналом в тракте с разработанным СВЧ усилителем для достижения оптимальной работы усилителя при взаимодействии со случайно изменяющимся модулированным сигналом».
По словам ученых, в перспективе усилитель мощности можно будет использовать в перспективных системах связи с высокой пропускной способностью 5G для усиления сложных сигналов. Устройство может использоваться как самостоятельный усилитель с динамической модуляцией нагрузки, так и в дополнение к существующим архитектурам для расширения динамического диапазона.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-29-00927).