天地一体化5G网络中LNA的辐射效应

news2024/11/15 7:18:39

Youssouf A S, Habaebi M H, Hasbullah N F. The radiation effect on low noise amplifier implemented in the space-aerial–terrestrial integrated 5G networks[J]. IEEE Access, 2021, 9: 46641-46651.

图2 面向卫星的5G综合网络架构方案

这篇论文《The Radiation Effect on Low Noise Amplifier Implemented in the Space-Aerial Terrestrial Integrated 5G Networks》主要研究了电子辐射对低噪声放大器(LNA)的影响,特别是在空间-空中-地面集成的5G网络(SATIN)中的应用。研究对象包括基于砷化镓(GaAs)的赝高电子迁移率晶体管(pHEMT)和基于硅锗(SiGe)的异质结双极晶体管(HBT)的两种LNA。

以下是论文的核心内容概述:

  1. 引言:介绍了5G网络的发展,特别是非地面集成5G系统的重要性,以及卫星通信系统在恶劣环境下的应用需求。

  2. SATIN架构:讨论了空间-空中-地面网络的集成,以及如何在5G网络中整合这些网络以提高覆盖范围和可靠性。

  3. 辐射效应:研究了电子辐射对GaAs和SiGe LNAs性能的影响,包括噪声系数(NF)和增益(S21)的变化。实验使用了1.5 MeV电子辐射,辐射剂量从50 kGy到250 kGy不等。

  4. 实验结果

    • GaAs pHEMT LNA在辐射前后的噪声系数变化,以及频率和辐射剂量对其性能的影响。
    • SiGe HBT LNA的噪声系数变化,以及辐射剂量对其性能的影响。
    • 两种LNA的增益(S21)和输入/输出回波损耗(S11和S22)在辐射前后的变化。
  5. 讨论:分析了辐射对LNA性能的具体影响,包括噪声系数和增益的退化,以及这些变化如何影响卫星通信链路的性能。

  6. 结论:总结了电子辐射对GaAs和SiGe LNAs的影响,指出在高达250 kGy的辐射剂量下,GaAs LNA相对于SiGe LNA表现出更好的性能。同时,指出了辐射剂量达到150 kGy时,卫星通信链路的性能可能会受到影响,这可能对SATIN 5G网络构成威胁。

图3 立方体卫星的主要子系统框图。通信子系统的第一部分连接到其他卫星链路,第二部分连接到地面站
ADL5523 GaAs LNA原理图。电容C5提供电源去耦。电感L1和电容C1提供输入阻抗匹配,L2和C3提供输出阻抗匹配。电阻R1用于设置电源电流。

 

BFU730F SiGe LNA原理图LNA由一级接地发射极BFU730F放大器组成。增益为20 dB, NF为0.8 dB。
S-参数测量实验设置使用安捷伦N5230A矢量网络分析仪(VNA)。电源将3V的电压输入LNA

 

增益法测量噪声系数的实验装置
图8 GaAs (LNA)噪声系数与频率和(3V)辐射剂量的函数关系。辐射剂量为50至250kGy。噪声随频率和辐射剂量的增加而增大。

 

图9 SiGe (LNA)噪声系数作为频率和(3V)辐射剂量的函数。噪声随频率和辐射剂量的增加而增大。

图10 在辐照前和250 kGy辐照剂量下,SiGe和GaAs (LNA)在(3 V)下的频率与噪声系数的关系。SiGe LNA噪声系数大于4 dB,而GaAs随着辐射剂量的增加而增加,最高可达3.7 dB,与SiGe LNA相比表现出频率敏感性。

 

图11 噪声系数与辐照前SiGe和GaAs (LNA) (3v)辐射剂量和不同辐射剂量的关系。高频对LNA性能的影响可见一斑。

 

图12 GaAs (LNA)增益(S21)作为频率和(3V)辐射剂量的函数。增益随频率和辐射剂量的增加而减小。与150 kGy至250 kGy的辐射效应相比,50 kGy至100 kGy的辐射效应更为显著。

图13 SiGe (LNA)增益(S21)作为频率和(3V)辐射剂量的函数。增益随辐射剂量的增加而减小。频率的增加对增益的影响较小。

图14 GaAs (LNA)输入回波损耗(S11)作为频率和(3V)辐射剂量的函数。输入回波损耗随辐射剂量的增大而增大,且在低频处明显增大。

图15 SiGe (LNA)输入回波损耗(S11)作为频率和(3V)辐射剂量的函数。SiGe输入回波损耗随辐射剂量的增加而增大,特别是在较高频率时。

图16 GaAs输出回波损耗(S22)作为频率和(3V)辐射剂量的函数。砷化镓输出回波损耗随辐射剂量的增加而减小。

 

图17 SiGe输出回波损耗(S22)作为频率和(3V)辐射剂量的函数。SiGe输出回波损耗随辐射剂量增大而增大。

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