Los drones vuelan alto con señales fiables gracias a amplificadores de RF eficientes, lineales y de alta ganancia

El uso de drones aéreos sigue expandiéndose en aplicaciones que van desde la inspección de infraestructuras y el periodismo deportivo hasta la entrega de cargas útiles y la fumigación selectiva de cultivos. En estas y otras aplicaciones, los operadores de drones dependen de una comunicación sólida entre el dron y una estación base para controlar con precisión el vuelo y transmitir grandes volúmenes de datos.

Al mismo tiempo, los drones necesitan equilibrar la potencia de la señal con el rendimiento de la batería y operar en bandas de radiofrecuencia (RF) saturadas. Se necesita una combinación de hardware mecánico, electrónica de estado sólido y potencia de procesamiento para abordar estos retos y garantizar un funcionamiento seguro, eficaz y útil de los drones.

Comunicación por radiofrecuencia fiable

Dado que los drones se comunican en el rango inferior a 6 GHz y que la mayoría de las señales caen en la banda de frecuencia ultraalta (UHF) (de 0,3 GHz a 3 GHz), una comunicación sólida por radiofrecuencia hacia y desde los drones es cuestión de velocidad. Los componentes de los frontales de RF de alta eficiencia -antenas, amplificadores, filtros e interruptores- deben ser capaces de reaccionar rápidamente a las señales entrantes y salientes a altas frecuencias.

Los circuitos integrados (CI) de conmutación rápida necesarios para los frontales de RF están fabricados con semiconductores de arseniuro de galio (GaAs) y nitruro de galio (GaN). Estos materiales de banda prohibida ancha tienen una movilidad de portadores superior a la de los semiconductores basados en el silicio, lo que confiere a los transistores de GaAs y GaN una frecuencia de conmutación mucho mayor.

Los transistores de conmutación rápida soportan los sistemas dúplex por división de tiempo (TDD) que alternan rápidamente entre la transmisión y la recepción en una sola frecuencia. En los drones, la TDD reduce el espacio necesario, el peso y el consumo de energía al eliminar los duplexores y los estrictos requisitos de blindaje de los antiguos sistemas dúplex por división de frecuencia (FDD). Aunque la TDD requiere una atención adicional a la temporización y la sincronización, su capacidad para ajustar dinámicamente las duraciones del enlace ascendente y descendente optimiza la transmisión de datos. Los sistemas TDD también permiten que el hardware receptor no activo entre en modo de reposo para ahorrar batería.

Las radios definidas por software (SDR) también son posibles gracias a los circuitos integrados de GaAs y GaN de conmutación rápida. Los SDR permiten a los operadores de drones ajustar muchos aspectos de las operaciones de radio, como la frecuencia, la potencia de transmisión y la velocidad de codificación, en un único conjunto de hardware a través de un enlace de software. Los SDR admiten la evolución de las necesidades de ancho de banda y permiten a los drones adaptarse a las normas de frecuencia regionales.

Las soluciones de front-end de RF sólidas requieren una electrónica ágil con transistores de conmutación rápida para SDR y TDD, así como compatibilidad con transmisiones de frecuencia más alta manteniendo una baja relación señal/ruido y una buena linealidad. Las soluciones frontales de RF de Qorvo utilizan circuitos integrados de GaA en amplificadores de bajo ruido y amplificadores de potencia que garantizan la fiabilidad de las operaciones de los drones mediante una comunicación sólida de largo alcance.

Los amplificadores de bajo ruido potencian las señales entrantes

En las operaciones con drones, las señales de radio entrantes llevan instrucciones de vuelo sensibles al tiempo u otra información de la misión. Sin embargo, estas señales son relativamente débiles y pueden ser difíciles de separar del ruido de fondo. Los amplificadores de bajo ruido (LNA) como el QPL9547TR7 (figura 1) se colocan directamente después de la antena receptora en la cadena de señal para reforzar las señales de RF débiles en la banda de frecuencia objetivo.

Figura 1: Los LNA QPL9547TR7 funcionan en una amplia gama de frecuencias y la baja parásita del encapsulado cuadrado de 2 mm contribuye a su rendimiento lineal y de bajo ruido. (Fuente de la imagen: Qorvo)

Los procesos de transistores pseudomórficos de alta movilidad de electrones (pHEMT) de Qorvo crean transistores de estado sólido con longitudes de puerta de 0.15 µm, 0.25 µm o 0.5 µm en chips semiconductores de GaAs. Las longitudes de puerta cortas dan a los electrones menos distancia que recorrer, lo que permite a los transistores conmutar más rápidamente, lo que minimiza el ruido, aumenta la ganancia y admite un mayor ancho de banda.

En los LNA QPL9547TR7, el rango de frecuencias de 0.1 GHz a 6 GHz admite frontales de RF sintonizados para recibir telemetría de drones UHF, señales de radio de muy alta frecuencia (VHF), señales celulares LTE y 5G o Wi-Fi. Después de que estas señales sean recibidas por la antena, un LNA QPL9547TR7 proporciona una ganancia típica de 19.5 dB a 1.9 GHz, lo que resulta en una señal amplificada hasta 89 veces más fuerte que la relativamente débil señal entrante.

Los LNA QPL9547TR7 también presentan un ruido extremadamente bajo, como demuestra su figura de ruido de 0.3 dB. Con un punto de interceptación de tercer orden de salida (OIP3) de +39 dBm, estos LNA también tienen una buena linealidad de salida, lo que les permite realzar la señal deseada ignorando los armónicos de tercer orden en las frecuencias cercanas, incluso en un espacio de frecuencias saturado.

El diseño físico de los LNA QPL9547TR7 ayuda a preservar estas métricas de rendimiento. Su encapsulado de tecnología de montaje en superficie (SMT) de ocho patillas, 2 mm x 2 mm, doble plano y sin plomo (DFN) utiliza caminos eléctricos cortos con una buena conexión a tierra y una huella pequeña para minimizar la capacitancia, la inductancia y las reflexiones de RF que pueden añadir ruido a las señales débiles. Los circuitos integrados son autónomos y requieren un mínimo de componentes externos, lo que ahorra espacio en la placa de circuito impreso y reduce la necesidad de adaptación de capacitancias.

Los LNA QPL9547TR7 funcionan con un ajuste de polarización de 65 mA y consumen relativamente poca corriente de las baterías de los drones, lo que prolonga su vida útil entre carga y carga. Utilizan una única fuente de alimentación positiva entre 3.3 y 5 VCC, por lo que pueden alimentarse con un único riel de alimentación de CC. En las aplicaciones TDD que dividen el tiempo en una banda de frecuencia determinada entre la transmisión y la recepción, los LNA QPL9547TR7 pueden apagarse durante la fase de transmisión para preservar aún más la duración de la batería.

Los amplificadores de potencia de alta eficiencia admiten datos de gran ancho de banda

Aunque los drones necesitan los LNA para asegurarse de que reciben continuamente instrucciones de vuelo y de misión, también necesitan transmitir datos de vuelta a la estación base. Aquí es donde entran en juego los amplificadores de potencia (PA) como el QPA9510TR7 de Qorvo (figura 2).

Figura 2: Los PA QPA9510TR7 utilizan la capacidad de conmutación rápida de los semiconductores GaAs para proporcionar una amplificación de alta potencia y alta ganancia en la banda UHF. (Fuente de la imagen: Qorvo)

Los PA QPA9510TR7 se colocan en la cadena de señal directamente antes de las antenas de transmisión, donde realzan las señales a frecuencias entre 100 MHz y 1 GHz para transmisiones de largo alcance. Los drones que transmiten en este rango suelen conectarse a equipos portátiles que utilizan el estándar del Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM) en torno a los 900 MHz. Sin embargo, la gama de frecuencias disponible con los PA QPA9510TR7 también permite la transmisión de señales VHF de gama alta y UHF de banda media.

Con hasta 34 dB de ganancia, los PA QPA9510TR7 aumentan la intensidad de la señal hasta 2.500 veces con una eficiencia energética de 55%. Tienen una potencia de salida lineal máxima (P1dB) de +35 dBm, o unos 3.2 W, lo que permite una sólida comunicación por radiofrecuencia a larga distancia. La ganancia puede ajustarse en un rango de 70 dB mediante reguladores de potencia analógicos incorporados.

Los controladores de potencia también ayudan a gestionar el uso que hacen los PA QPA9510TR7 de las baterías integradas de sus drones. Pueden apagar los amplificadores o ponerlos en modo de reposo o espera enviando una señal lógica "baja". Estas capacidades ayudan a los PA QPA9510TR7 a preservar la vida de la batería del dron mientras consumen hasta 208 mA de una alimentación de 2.8 V a 3.6 V o de 3.6 V a 5 V.

Dado que el 45% de la energía eléctrica que pasa por los PA QPA9510TR7 se disipa en forma de calor, el embalaje es importante. Su encapsulado SMT plano cuádruple sin plomo (QFN) compacto de 3 mm x 3 mm tiene conductores eléctricos cortos y una buena conexión a tierra similar a la del encapsulado DFN utilizado para los LNA QPL9547TR7. Esto ayuda a maximizar el espacio de la placa a la vez que minimiza el ruido y protege la linealidad. Los encapsulados QFN suelen tener una almohadilla expuesta que facilita la disipación del exceso de calor a través del metal incrustado en la placa de circuito impreso. La disipación pasiva del calor también contribuye a la duración de la batería al eliminar el peso y los requisitos eléctricos de los ventiladores u otros sistemas de refrigeración.

Conclusión

Los amplificadores de potencia y los amplificadores de bajo ruido de los drones aéreos manejan las señales de radiofrecuencia UHF con gran linealidad y alta ganancia, al tiempo que utilizan de forma eficiente la energía de las baterías, el espacio y el peso. Los circuitos integrados fabricados gracias a la experiencia de Qorvo con materiales de banda prohibida ancha como el GaAs satisfacen estas prioridades aparentemente contradictorias. El resultado son drones con conexiones de radiofrecuencia fiables a largas distancias que pueden realizar tareas y suministrar datos en entornos agrícolas, industriales, mediáticos y comerciales.