В проектировании СВЧ-усилителей достижение широкой полосы пропускания при сохранении приемлемого коэффициента усиления является ключевой задачей. Традиционные схемы с сосредоточенными элементами сталкиваются с фундаментальными ограничениями, накладываемыми паразитными емкостями транзисторов. Распределенные усилители (DA) элегантно обходят эту проблему, интегрируя входные и выходные емкости транзисторов в искусственные линии передачи (ИЛП).

Каждый активный элемент, часто в каскодной конфигурации, вносит свой вклад в общий коэффициент усиления. Сигналы, распространяющиеся по линии стока, конструктивно складываются в прямом направлении (к выходу), в то время как волны в обратном направлении гасятся в согласующей нагрузке. Это позволяет достигать усиления в диапазоне нескольких октав. Главным компромиссом является относительно низкая эффективность и более высокий уровень шума по сравнению с узкополосными архитектурами. Волноводный импеданс ($Z_0$) и частота среза ($f_c$) этих линий определяются параметрами транзисторов.

Для современных систем связи, особенно в мобильных устройствах и базовых станциях, ключевым параметром является КПД усилителя мощности (УМ). Усилитель Доэрти, предложенный еще в 1936 году, переживает ренессанс благодаря своей способности поддерживать высокую эффективность при работе с сигналами, имеющими высокий пик-фактор, такими как OFDM в сетях 4G/5G. Классическая архитектура использует два усилителя: основной (Carrier) и дополнительный (Peaking).

Основной усилитель работает в классе AB и оптимизирован для максимальной эффективности при средних уровнях мощности. Дополнительный усилитель, работающий в классе C, включается только при высоких пиковых уровнях сигнала. Ключевым элементом схемы является четвертьволновый трансформатор импеданса, который выполняет активную модуляцию нагрузки. При низком уровне сигнала дополнительный усилитель "видит" обрыв цепи, а основной — оптимальную нагрузку ($R_{opt}$). При пиковой мощности оба усилителя работают на нагрузку $2R_{opt}$, но благодаря трансформатору, основной усилитель "видит" нагрузку $R_{opt}$, что позволяет ему сохранять максимальную эффективность.

Современные вариации включают многоступенчатые и асимметричные архитектуры для дальнейшего расширения диапазона высокой эффективности. Широкополосные усилители Доэрти представляют особую сложность, так как требуют компенсации фазовых и амплитудных дисбалансов в широком диапазоне частот.

Другой передовой метод повышения эффективности — это отслеживание огибающей (Envelope Tracking). В отличие от усилителей с фиксированным напряжением питания, ET-система использует высокоскоростной модулятор напряжения, который динамически изменяет напряжение питания УМ ($V_{DD}$) в соответствии с огибающей ВЧ-сигнала. Это позволяет транзистору практически всегда работать в режиме насыщения, где его КПД максимален, минимизируя потери мощности на рассеивание тепла. Основные вызовы при реализации ET — это обеспечение идеальной синхронизации между модулятором напряжения и ВЧ-трактом, а также высокая эффективность самого модулятора.

Переход к миллиметровому диапазону (mmWave) для сетей 5G и будущих стандартов связи ставит перед разработчиками новые вызовы. На частотах выше 30 ГГц потери в линиях передачи становятся значительными, а усиление транзисторов падает. Это требует применения многокаскадных архитектур и тщательной оптимизации межсоединений. Усилители бегущей волны (TWA), концептуально схожие с распределенными, часто используются для достижения широкой полосы пропускания на этих частотах.

Из-за высоких потерь мощности и необходимости формирования узких диаграмм направленности, усилители мощности для mmWave часто интегрируются непосредственно в антенные решетки. Это приводит к созданию высокоинтегрированных модулей, где УМ, фазовращатели и аттенюаторы расположены в непосредственной близости от излучающих элементов. В таких системах на первый план выходят не только ВЧ-параметры, но и тепловой менеджмент, а также минимизация перекрестных помех между каналами.

Давайте проверим ваше понимание рассмотренных концепций.

Глубокое знание этих архитектур и их компромиссов позволяет инженеру принимать обоснованные решения при проектировании сложных СВЧ-систем, от мобильных терминалов до радаров и спутниковой связи.