Drohnen erreichen dank effizienter, linearer HF-Verstärker mit hoher Verstärkung große Reichweiten

Der Einsatz von fliegenden Drohnen nimmt weiter zu und reicht von der Inspektion von Infrastrukturen und Sportjournalismus bis hin zur Lieferung von Nutzlasten und dem gezielten Besprühen von Pflanzen. Bei diesen und anderen Anwendungen sind Drohnenbetreiber auf eine robuste Kommunikation zwischen der Drohne und einer Basisstation angewiesen, um den Flug genau zu steuern und große Datenmengen zu übertragen.

Gleichzeitig müssen Drohnen die Signalstärke mit der Batterieleistung in Einklang bringen und in überfüllten Funkfrequenzbändern arbeiten. Um diese Herausforderungen zu meistern und einen sicheren, effizienten und nützlichen Drohnenbetrieb zu gewährleisten, ist eine Kombination aus mechanischer Hardware, Festkörperelektronik und Rechenleistung erforderlich.

Zuverlässige HF-Kommunikation

Da Drohnen im Bereich unter 6 GHz kommunizieren und die meisten Signale in das UHF-Band (0,3 GHz bis 3 GHz) fallen, kommt es bei der robusten HF-Kommunikation zu und von Drohnen vor allem auf Geschwindigkeit an. Komponenten in hocheffizienten HF-Frontends - Antennen, Verstärker, Filter und Schalter - müssen schnell auf ein- und ausgehende Signale bei hohen Frequenzen reagieren können.

Die schnell schaltenden integrierten Schaltungen (ICs), die für HF-Frontends benötigt werden, bestehen aus Galliumarsenid- (GaAs) und Galliumnitrid- (GaN) Halbleitern. Diese Materialien mit breiter Bandlücke haben eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit als Halbleiter auf Siliziumbasis, wodurch GaAs- und GaN-Transistoren eine wesentlich höhere Schaltfrequenz aufweisen.

Schnell schaltende Transistoren unterstützen Zeitduplexsysteme (TDD), bei denen auf einer einzigen Frequenz schnell zwischen Senden und Empfangen gewechselt wird. TDD reduziert den Platzbedarf, das Gewicht und den Stromverbrauch, da die Duplexer und die strengen Abschirmungsanforderungen älterer Frequenzduplexsysteme (FDD) entfallen. Auch wenn TDD zusätzliche Aufmerksamkeit für Timing und Synchronisation erfordert, optimiert seine Fähigkeit, die Dauer von Uplink und Downlink dynamisch anzupassen, die Datenübertragung. Bei TDD-Systemen kann auch nicht aktive Empfangshardware in einen batterieeffizienten Ruhezustand versetzt werden.

Software-definierte Funkgeräte (SDRs) werden auch durch schnell schaltende GaAs- und GaN-ICs ermöglicht. Mit SDRs können Drohnenbetreiber viele Aspekte des Funkbetriebs wie Frequenz, Sendeleistung und Kodierrate über eine Softwareverbindung auf einer einzigen Hardware einstellen. SDRs unterstützen den sich entwickelnden Bandbreitenbedarf und ermöglichen die Anpassung von Drohnen an regionale Frequenzstandards.

Robuste HF-Frontend-Lösungen erfordern eine agile Elektronik mit schnell schaltenden Transistoren für SDR und TDD sowie die Unterstützung von Übertragungen mit höheren Frequenzen unter Beibehaltung eines niedrigen Signal-Rausch-Verhältnisses und guter Linearität. HF-Frontend-Lösungen von Qorvo verwenden GaAs-ICs in rauscharmen Verstärkern und Leistungsverstärkern, die einen zuverlässigen Drohnenbetrieb durch robuste Langstreckenkommunikation gewährleisten.

Rauscharme Verstärker verbessern empfangene Signale

Bei Drohneneinsätzen liefern die empfangenen Funksignale zeitkritische Fluganweisungen oder andere Missionsinformationen. Diese Signale sind jedoch relativ schwach und lassen sich nur schwer vom Hintergrundrauschen unterscheiden. Rauscharme Verstärker (LNAs) wie der QPL9547TR7 (Abbildung 1) werden in der Signalkette direkt hinter der Empfangsantenne platziert, um schwache HF-Signale im Zielfrequenzband zu verstärken.

Abbildung 1: Die LNAs QPL9547TR7 arbeiten über einen weiten Frequenzbereich, und die geringen Parasitika des 2 mm x 2 mm großen Gehäuses tragen zu ihrer linearen, rauscharmen Leistung bei. (Bildquelle: Qorvo)

Qorvos pHEMT-Prozesse (pseudomorphe High Electron Mobility Transistor) erzeugen Festkörpertransistoren mit 0,15 µm, 0,25 µm oder 0,5 µm Gate-Länge auf GaAs-Halbleiterchips. Bei kurzen Gate-Längen müssen die Elektronen weniger Strecke zurücklegen, wodurch die Transistoren schneller schalten können, was das Rauschen minimiert, die Verstärkung erhöht und eine größere Bandbreite ermöglicht.

Die LNAs QPL9547TR7 unterstützen im Frequenzbereich von 0,1 GHz bis 6 GHz HF-Frontends, die auf den Empfang von UHF-Drohnen-Telemetrie, VHF-Funksignalen, LTE- und 5G-Mobilfunksignalen oder Wi-Fi abgestimmt sind. Nachdem diese Signale von der Antenne empfangen wurden, liefert ein QPL9547TR7-LNA eine typische Verstärkung von 19,5 dB bei 1,9 GHz, was zu einem verstärkten Signal führt, das bis zu 89 Mal stärker ist als das relativ schwache Eingangssignal.

Die LNAs des Typs QPL9547TR7 zeichnen sich außerdem durch ein extrem geringes Rauschen aus, wie die Rauschzahl von 0,3 dB zeigt. Mit einem Ausgangsinterceptpunkt dritter Ordnung (OIP3) von +39 dBm verfügen diese LNAs auch über eine gute Ausgangslinearität, die es ihnen ermöglicht, das beabsichtigte Signal zu verstärken, während Oberwellen dritter Ordnung auf benachbarten Frequenzen ignoriert werden, selbst in einem überfüllten Frequenzraum.

Das physische Design der LNAs QPL9547TR7 trägt dazu bei, diese Leistungskennzahlen zu erhalten. Ihr achtpoliges, 2 mm x 2 mm großes, oberflächenmontierbares (SMT) DFN-Gehäuse verwendet kurze elektrische Pfade mit guter Erdung und einem kleinen Footprint, um Kapazitäten, Induktivitäten und HF-Reflexionen zu minimieren, die schwachen Signalen Rauschen hinzufügen können. Die ICs sind eigenständig und benötigen nur minimale externe Komponenten, was Platz auf der Leiterplatte spart und den Bedarf an Kapazitätsanpassung reduziert.

Die LNAs des Typs QPL9547TR7 arbeiten mit einer Vorstromeinstellung von 65 mA und verbrauchen relativ wenig Strom aus den Drohnenbatterien, was die Betriebsdauer zwischen den Ladevorgängen verlängert. Sie verwenden eine einzige positive Spannungsversorgung zwischen 3,3 und 5 VDC, so dass sie über eine einzige Gleichstromschiene versorgt werden können. In TDD-Anwendungen, bei denen die Zeit in einem bestimmten Frequenzband zwischen Senden und Empfangen aufgeteilt wird, können die QPL9547TR7-LNAs während der Sendephase abgeschaltet werden, um die Batterielebensdauer zu verlängern.

Hocheffiziente Leistungsverstärker unterstützen Daten mit hoher Bandbreite

Drohnen benötigen LNAs, um sicherzustellen, dass sie kontinuierlich Flug- und Missionsanweisungen erhalten, aber auch, um Daten an die Basisstation zu übertragen. Hier kommen Leistungsverstärker (PAs) wie der QPA9510TR7 von Qorvo (Abbildung 2) ins Spiel.

Abbildung 2: Die PAs QPA9510TR7 nutzen die schnelle Schaltfähigkeit von GaAs-Halbleitern, um eine hohe Verstärkung mit hoher Leistung im UHF-Band zu bieten (Bildquelle: Qorvo)

Die PAs QPA9510TR7 werden in der Signalkette direkt vor den Sendeantennen platziert, wo sie die Signale bei Frequenzen zwischen 100 MHz und 1 GHz für die Fernübertragung verstärken. Drohnen, die in diesem Bereich senden, sind meist mit Handgeräten verbunden, die den GSM-Standard (Global System for Mobile Communications) bei etwa 900 MHz verwenden. Der mit den PAs QPA9510TR7 verfügbare Frequenzbereich ermöglicht jedoch auch die Übertragung von höherwertigen VHF- und UHF-Signalen im mittleren Bandbereich.

Mit einer Verstärkung von bis zu 34 dB erhöhen die PAs QPA9510TR7 die Signalstärke um das bis zu 2500-fache bei einer Energieeffizienz von 55%. Sie haben eine lineare Spitzenausgangsleistung (P1dB) von +35 dBm bzw. etwa 3,2 W, was eine robuste HF-Kommunikation über große Entfernungen ermöglicht. Die Verstärkung kann über einen Bereich von 70 dB mit analogen On-Board-Leistungsreglern eingestellt werden.

Die Leistungsregler helfen auch dabei, die Nutzung der Onboard-Batterien der Drohnen durch die QPA9510TR7-PAs zu verwalten. Sie können die Verstärker abschalten oder in den Schlaf- oder Standby-Modus versetzen, indem sie ein logisches „Low“-Signal senden. Dank dieser Eigenschaften können die QPA9510TR7-PAs die Lebensdauer der Drohnenbatterie verlängern, während sie bis zu 208 mA aus einer 2,8 V bis 3,6 V oder 3,6 V bis 5 V Versorgung ziehen.

Da 45% der elektrischen Energie, die durch die QPA9510TR7-PAs fließt, in Form von Wärme abgeführt wird, ist das Gehäuse wichtig. Ihr kompaktes 3 mm x 3 mm großes QFN-SMT-Gehäuse (Quad Flat No-Lead) hat kurze elektrische Leitungen und eine gute Erdung, ähnlich wie das DFN-Gehäuse, das für die LNAs QPL9547TR7 verwendet wird. Dies trägt dazu bei, den verfügbaren Platz auf der Leiterplatte zu maximieren und gleichzeitig das Rauschen zu minimieren und die Linearität zu schützen. QFN-Gehäuse haben in der Regel eine freiliegende Kontaktfläche, die die Ableitung von überschüssiger Wärme durch in die Leiterplatte eingebettetes Metall erleichtert. Die passive Wärmeableitung trägt ebenfalls zur Lebensdauer der Batterie bei, da das Gewicht und die elektrischen Anforderungen von Lüftern oder anderen Kühlsystemen entfallen.

Fazit

Leistungsverstärker und rauscharme Verstärker in Flugdrohnen verarbeiten UHF-HF-Signale mit hoher Linearität und hoher Verstärkung bei effizienter Nutzung von Batteriestrom, Platz und Gewicht. ICs, die mit der Expertise von Qorvo über Materialien mit breitem Bandabstand wie GaAs hergestellt werden, erfüllen diese scheinbar widersprüchlichen Prioritäten. Das Ergebnis sind Drohnen mit zuverlässigen HF-Verbindungen über große Entfernungen, die in der Landwirtschaft, der Industrie, den Medien und im Handel Aufgaben erfüllen und Daten liefern können.