5G: Power Amplifier

Sumber: https://resources.system-analysis.cadence.com/blog/msa2021-rf-power-amplifier-design-parameters

Dalam sistem komunikasi modern, penguat daya RF adalah komponen aktif terakhir dalam rantai RF, dan desain penguat daya RF merupakan faktor penting yang memengaruhi kinerja seluruh sistem. Efisiensi, keandalan, dan kekompakan penguat daya RF sangat penting dalam sistem komunikasi. Mereka digunakan dalam rantai RF untuk meningkatkan kekuatan sinyal input untuk mencapai output daya tinggi dan mereka juga memperkuat sinyal RF sehingga bandwidth, cakupan, dan efisiensi sistem meningkat.

Penguat daya RF diterapkan di banyak sistem komunikasi, termasuk:

• Sistem penyiaran radio AM dan FM
• Base Station
• Sistem antena
• Penerima televisi
• Jaringan wireless, termasuk 4G dan 5G

5G adalah salah satu teknologi paling penting dan powerful yang pernah menjangkau pasar di bidang komunikasi wireless. Menawarkan peningkatan signifikan dalam kecepatan data, latensi, dan kapasitas dibandingkan dengan 4G, 5G siap menjadi teknologi yang benar-benar transformatif di industri dan dunia.

Namun, peningkatan kinerja yang radikal ini menimbulkan beban yang meningkat dan persyaratan yang lebih ketat untuk perangkat keras frekuensi radio (RF) yang mendasarinya. Salah satu perangkat keras RF yang paling berperan adalah Power Amplifier (PA), perangkat yang kepentingannya semakin meningkat dengan implementasi 5G.

Mari kita lihat lebih dekat bagaimana penguat daya RF dirancang.

Tahapan dalam Penguat Daya RF

Penguat daya RF terdiri dari beberapa tahapan berbeda:

• Input impedance matching network: Pencocokan impedansi diperlukan dalam amplifier daya RF untuk mengirimkan daya maksimum ke beban dari sumber. Input impedance matching network di sisi input amplifier daya RF agar sesuai dengan impedansi input tipikal 50 ohm.
• Amplifiers stage: Bergantung pada sinyal input dan daya output yang diperlukan, gain dihitung. Berdasarkan gain yang dihitung, jumlah tahap penguat ditentukan. Jika ada beberapa tahap penguat, maka koneksi paralel atau kaskade digunakan.
• Biasing network: Ini adalah komponen aktif yang digunakan dalam penguat daya RF yang memerlukan rangkaian bias. Jaringan bias memasok tegangan bias ke tahap penguat RF.
• Accessories network: Ini adalah sirkuit yang digunakan untuk meningkatkan linearitas, stabilitas, dan kinerja penguat daya RF.
• Output impedance matching network: Di sisi keluaran penguat daya RF, Output impedance matching network dihubungkan untuk mencocokkan impedansi keluaran penguat daya RF hingga 50 ohm.

Parameter Desain Penguat Daya RF

Saat merancang penguat daya RF, parameter tertentu sangat penting. Pada bagian berikut, beberapa parameter penting untuk desain penguat daya RF dibahas.

• Output power: Daya RF yang dikirimkan ke beban adalah parameter kunci yang memengaruhi desain penguat daya RF. Pencocokan impedansi konjugasi biasanya digunakan dalam amplifier daya RF untuk memberikan daya maksimum ke beban.
• Power amplifier efficiency: Istilah 'efisiensi daya penguat daya RF' ditentukan oleh rasio perbedaan antara daya RF keluaran dan daya masukan RF dengan daya DC masukan. Efisiensi penguat daya maksimum pada daya RF keluaran maksimum.
• Signal gain: Penguatan sinyal bergantung pada spesifikasi input dan output penguat daya RF. Bergantung pada penguatan yang dibutuhkan, tahap penguat dirancang.
• Linearity: Karakteristik non-linear dari penguat daya RF merugikan pengoperasian penguat. Dengan mempertahankan linearitas tahapan penguat daya RF, distorsi pada amplitudo, fase, dan frekuensi dapat diminimalkan.
• Modulation scheme: Pemilihan skema modulasi dalam sistem komunikasi penting dalam desain penguat RF, karena hal itu memengaruhi efisiensi dan kinerja linearitas tahap penguat.
• Crest factor: Faktor puncak parameter dalam penguat daya RF sama dengan akar kuadrat dari rasio peak signal power to average signal power (PAPR). PAPR menentukan daya input back-off, yang penting dalam mencapai linearitas yang baik.

Kemajuan dalam teknik komunikasi, seperti 3G, 4G, dan 5G, menuntut desain penguat daya RF yang kuat dengan parameter yang sangat baik seperti efisiensi, linearitas, bandwidth, dll.

Lebih dalam tentang Power Amplifier Module(PAM)

Untuk membantu meringankan tantangan merancang PA RF untuk 5G, Power Amplifier Module (PAM) telah menjadi alat penting dalam beberapa tahun terakhir.

Saat bekerja dengan sinyal RF, terutama pada pita frekuensi 5G yang lebih tinggi, level voltase bisa sangat rendah. Ini merupakan tantangan karena sinyal elektromagnetik (EM) menjadi lebih rentan pada amplitudo yang lebih rendah terhadap efek noise tingkat sistem (yaitu, rasio signal-to-noise menurun). Selain itu, sinyal bertegangan rendah umumnya tidak memiliki kekuatan yang diperlukan untuk menggerakkan sirkuit atau antena di hilir.

Untuk mengatasi tantangan ini, para engineer menggunakan PA. RF PA adalah blok sirkuit yang berfungsi untuk meningkatkan amplitudo, keluaran daya, atau kapasitas penggerak sinyal RF. Umumnya, PA RF berada di dekat antena sistem untuk menyediakan antena pemancar dengan sinyal daya tinggi.

Dengan PA, tujuannya adalah untuk meningkatkan sinyal sambil mempertahankan tingkat kesetiaan yang tinggi dari input ke output. Karena alasan ini, linearitas, efisiensi, dan daya keluaran merupakan spesifikasi penting untuk PA.

Tantangan Desain PA

Secara historis, PA dan sirkuit sekitarnya dirancang menggunakan komponen diskrit pada PCB board. Sementara pendekatan ini telah melayani industri selama bertahun-tahun, kemanjuran pendekatan ini dipertanyakan karena beberapa tantangan desain sederhana yang bermunculan.

Salah satu tantangan ini adalah mampu menyeimbangkan pengorbanan antara area, biaya, kinerja, dan konsumsi daya. Secara umum, spesifikasi ini cenderung bertentangan satu sama lain, dan desainer harus mengetahui cara mengoptimalkan sirkuit mereka untuk menyeimbangkan pengorbanan secara optimal untuk aplikasi yang mereka berikan. Menyeimbangkan pengorbanan ini semakin sulit saat menggunakan komponen diskrit sebagai pertimbangan seperti pemilihan bagian, interoperabilitas komponen, dan kinerja dampak tata letak.

Ini semakin membingungkan ketika pindah ke 5G, di mana sistem perlu mencakup bandwidth yang lebih luas dan rentang frekuensi yang lebih tinggi. Sistem saat ini membutuhkan bandwidth instan rata-rata hingga 400 MHz saat beroperasi pada frekuensi hingga 4 GHz. Tantangannya sekarang adalah mempertahankan pertukaran sistem yang disebutkan di atas sambil juga memberikan kinerja pada pita frekuensi ini.

Referensi

• https://semiengineering.com/power-amp-wars-begin-for-5g/
• https://www.qorvo.com/design-hub/blog/power-amplifier-modules-and-their-role-in-5g-design
• https://resources.system-analysis.cadence.com/blog/msa2021-rf-power-amplifier-design-parameters

Pranala Menarik

• 5G