RF güc gücləndiricisinin səmərəliliyini necə artırmaq olar?
Termodinamikanın əsas qanunları heç bir elektron cihazın 100% səmərəliliyi əldə edə bilməyəcəyini göstərir, lakin keçid güc mənbələri nisbətən yaxındır (98% -ə qədər). Təəssüf ki, RF enerjisi yaradan hər hansı bir cihaz hazırda ideal bir performansı əldə edə bilmir və ya ona yaxınlaşa bilmir, çünki DC gücünün RF məhsul gücünə çevrilməsi prosesində çox siqnal yolu ötürülməsinin səbəb olduğu zərər daxil olmaqla işləmə tezliyi Zaman itkisi və cihazın özünəməxsus xarakterik itkisi. Nəticədə, MIT Technology Review-da bir məqalə, RF güc gücləndiricisinə sərbəst şəkildə "Bu çox səmərəsiz bir cihazdır" şərhini verdi.
Təəccüblü deyil ki, RF enerji məhsulu istehsalçılarının, yarımkeçiricidən gücləndiricilərə, ötürücülərə, eləcə də universitetlərə və Müdafiə Nazirliyinə, hər il RF enerji cihazlarının səmərəliliyinin artırılması üçün çox vaxt və maliyyə mənbələri sərf olunur. Bunun yaxşı səbəbləri var: səmərəliliyin cüzi bir artımı da batareyalı məhsulların iş müddətini uzada bilər və simsiz baza stansiyalarının illik enerji istehlakını azalda bilər. Şəkil 1 RF hissəsinin baza stansiyasının ümumi enerji istehlakına nisbətini göstərir.
Şəkil 1: Əsas stansiyanın enerji istehlakına müxtəlif radio tezlik məhsullarının müvafiq hissələrinin əlavə edilməsi, son nəticə olduqca böyük olacaqdır.
Xoşbəxtlikdən, RF səmərəliliyinin artırılması üçün illərlə davam edən səylərdən sonra bu şərtlər tədricən dəyişir. Bu tapşırıqlardan bəziləri cihaz səviyyəsindədir, digərləri zərf izləmə, rəqəmsal predistortion / krest amil azaltma sxemləri və ümumi sinif AB səviyyələrindən daha inkişaf etmiş gücləndiricilərin istifadəsi kimi bəzi yenilikçi texnologiyalardan istifadə edir.
Gücləndirici dizaynında böyük bir dəyişiklik 5 il ərzində baza stansiyası gücləndiriciləri üçün standart halına gələn Doherty arxitekturasıdır. Doktor Doherty of Bell Laboratories (daha sonra Westinghouse Electric-in bir hissəsi oldu) 1936-cı ildə bu memarlığı icad etdiyindən, əksər vaxt səssiz qaldı və yalnız bir neçə tətbiqdə istifadə edildi.
Doherty'nin araşdırması, giriş siqnalının zirvədən orta səviyyəyə (PAR) çox yüksək olduğu zaman son dərəcə yüksək güc əlavə səmərəliliyi təmin edə bilən yeni bir gücləndirici quruluş yaratdı. Əslində, düzgün dizayn edildiyi təqdirdə Doherty gücləndiricilərinin səmərəliliyi standart paralel sinif AB gücləndiricilərinə nisbətən 11% -dən 14% -ə qədər artırıla bilər.
Əlbətdə ki, 1936-cı ildən sonra uzun illər rabitə sistemlərində modulyasiya sxemlərindən istifadə edən AM və FM kimi bu xüsusiyyətlərə yalnız bir neçə növ siqnal sahibdir. Hal-hazırda, demək olar ki, hər bir simsiz sistem WMAMA, CDMA2000-dən WiMAX, LTE və son zamanlarda Wi-Fi kimi ortoqonal tezlik bölmə multipleksiyasından (OFDM) istifadə edən hər hansı bir sistemə qədər yüksək PAR siqnalları yaradır.
Şəkil 2: Tipik bir Doherty gücləndiricisi
Yük modulyasiyası arxitekturası kimi təsnif edilə bilən klassik Doherty gücləndiricisi (şəkil 2) əslində iki gücləndiricidən ibarətdir: AB sinifində işləmək üçün qərəzli bir daşıyıcı gücləndirici və C sinif rejiminə meylli bir pik gücləndirici. Güc bölücü giriş siqnalını hər gücləndiriciyə 90 ° faza fərqi ilə bərabər şəkildə bölür. Amplifikasiyadan sonra siqnal güc bağlayıcı vasitəsilə yenidən sintez olunur. İki gücləndirici giriş siqnalının pik nöqtəsinə gəldikdə eyni zamanda işləyir və hər biri çıxış gücünü maksimuma çatdırmaq üçün bir yük empedansı kimi davranır.
Bununla birlikdə, giriş siqnalının gücü düşdükcə, Class C pik gücləndiricisi söndürülür və yalnız Class AB daşıyıcı gücləndiricisi hələ də işləyir. Daha az güc səviyyələrində, Class AB daşıyıcı gücləndiricisi səmərəliliyi və qazancı artırmaq üçün modulyasiya edilmiş yük empedansı kimi davranır. Memarlığın yenilənmiş canlılığı ilə Doherty gücləndiricisi dizaynı sürətli təkrarlamalarda əhəmiyyətli bir irəliləyiş əldə etdi və böyük bir uğur qazandı.
Əlbəttə ki, heç bir memarlıq mükəmməl deyil. Doherty gücləndiricisinin xətti və çıxış gücü ikili sinif AB gücləndiricisindən bir qədər pisdir. Bu, bizə bugünkü rabitə mühitində vazgeçilməz bir seçim halına gələn başqa bir vacib dövrə gətirir: analoq və rəqəmsal xəttləşdirmə texnologiyası. Bu texnologiyadan ən geniş istifadə olunan, bəzən krest faktorunun azaldılması (CFR) ilə birləşdirilən rəqəmsal predistortiyadır (DPD). Həm DPD, həm də CFR Doherty-nin təhrifini böyük ölçüdə azalda bilər və ehtiyatlı cihaz və gücləndirici dizaynı xətti itkisini minimuma endirə bilər. Bununla birlikdə Doherty gücləndiricilərində istifadə üçün qəti şəkildə müəyyən edilməyib və digər gücləndirici strukturlarda istifadə edildikdə təsirləri olduqca açıqdır.
1. Xətti yaxşılaşdırın
Müasir rəqəmsal modulyasiya texnologiyası gücləndiricinin doğrusallığının kifayət qədər yüksək olmasını tələb edir, əks halda intermodulyasiya təhrifi baş verəcək və siqnal keyfiyyəti aşağı düşəcəkdir. Təəssüf ki, gücləndiricilər ən yaxşısını göstərdikdə, hamısı doyma səviyyələrinə yaxındır. Daha sonra onlar qeyri-xətti olur, giriş gücü artdıqca RF güc çıxışı azalır və əhəmiyyətli təhriflər görünməyə başlayır. Bu təhrif, bitişik kanallar və ya xidmətlər arasında qarışıqlığa səbəb ola bilər. Nəticədə, dizaynerlər ümumiyyətlə xətti təmin etmək üçün RF çıxış gücünü "təhlükəsiz zona" geri çəkirlər. Bunu etdikdə, müəyyən bir RF çıxış gücünə nail olmaq üçün birdən çox RF transistorları lazımdır, bu da cari istehlakı artıracaq və qısa stansiya ömrünü və ya əsas stansiyalarda daha yüksək əməliyyat xərclərini əldə edəcəkdir.
DPD, gücləndiricinin qeyri-doğrusallığını aradan qaldıraraq gücləndiricinin girişində effektiv şəkildə "anti-distorsion" tətbiq edir. Nəticədə, gücləndiricinin optimal işləmə nöqtəsinə geri dönməsinə ehtiyac qalmır və beləliklə artıq RF güc cihazlarına ehtiyac yoxdur. Gücləndiricilər daha səmərəli olduqda, faydalar soyutma xərclərini və bütün vacib enerji istehlakını azaldır. CFR işləyərkən, təhrif giriş siqnalının pik-orta nisbətini azaltmaqla davamlı olaraq yoxlanılır. Bu metod siqnalın pik dəyərini azaldır ki, siqnal gücləndiricidən keçərkən kəsilməyə və təhrif olunmasın. DPD və CFR birlikdə istifadə edildikdə, daha çox qazanc əldə edilə bilər.
2. Fazadan kənar güc gücləndiricisi üsulu
Digər bir texnologiya, Henri Chireix tərəfindən təxminən 80 il əvvəl icad edilən və tutulan patentli bir texnologiyadır. Ümumiyyətlə, "kənarlaşdırma" adlanır (gücləndirici gücləndirici, yük modulyasiya texnologiyası ailəsinin üzvü). Hal hazırda Fujitsu, NXP, və s. Gücləndiricinin effektivliyini artırmaq üçün istifadə olunur. Fərqli fazaların siqnalları ilə idarə olunan iki qeyri-xətti RF güc gücləndiricisini birləşdirir. Faza idarə olunduğu üçün, çıxış siqnalı birləşdirildikdə, B Sınıfı güc gücləndiricilərinin istifadəsi səmərəlilik qazana bilər. Diqqətli dizayn üsulları, xüsusən də uyğun reaktivliyin seçilməsi sistemi effektivliyin iki qat artmasına (ən azı nəzəri cəhətdən) gətirəcək spesifik bir çıxış amplitüdünə qədər optimize edə bilər.
Fujitsu, keçən il yayım müddətinin 65% -i olan DSP əsaslı bir faza səhv düzəliş kompensasiya dövrü ilə kompakt, az itkili güc birləşdirmə dövrəsini birləşdirərək müəyyən bir güc gücləndiricisinə keçid metodunu tətbiq etdiyini elan etdi. mövcud gücləndiricilər. , Gücləndiricinin ötürmə müddəti 95% -i keçə bilər. Dizaynı sınamaq üçün bu güc gücləndiricisinin pik gücü 100 vata çata bilər; orta elektrik səmərəliliyi 50% -dən 70% -ə qədər artır.
Giriş siqnalı sabit amplituda və faz dəyişikliyi olan iki siqnala bölünür. Genlik RF güc cihazına uyğun olaraq qurulur və güc birləşmə dövrəsi mənbə siqnal dalğa formasını yenidən qurur. Əvvəllər mənbə siqnalı yenidən qurulduqda, bu texnologiyanın kommersiyalaşdırılmasının qarşısını alan faz fərqini təyin etmək üçün birləşmə dəqiqliyinin itməsi lazım idi. Fujitsu tərəfindən istifadə edilən bağlayıcı daha qısa bir siqnal yoluna malikdir, bu da itkini azaldır və bant genişliyini artırır.
3. NXP-nin perspektivli inkişafı
Yük modulyasiyası effekti olmayan Kənarlaşdırma mexanizminin bir variantı, doyma vəziyyətinə çatmaq üçün ayrı bir bağlayıcı və gücləndirici mərhələdən istifadə edən və xətti və pik effektivliyini effektiv şəkildə inkişaf etdirə bilən Qeyri-Xətti Konsepsiyanın Xətti Gücləndiricisi (LINC) adlanır. Bununla birlikdə, LINC gücləndiricilərinin səmərəliliyi nisbətən aşağıdır, çünki hər bir gücləndirici aşağı RF çıxış səviyyələrində də sabit bir gücdə işləyir. Chireix, bu, orta səmərəliliyi artırmaq üçün ayrılmayan birləşdirici ilə yük modulyasiyasını birləşdirərək düzəlddi. NXP Yarımkeçiricilər, onları yüksək zirvə faktoru siqnallarına uyğunlaşdırmaq üçün iki keçid rejimində olan RF gücləndiricilərini idarə etmək üçün fazadan istifadə edərək daha da inkişaf etdirdi. Şirkət, Chireixoutphasing texnologiyasını GaN HEMT keçid sinfi E gücləndiriciləri ilə birləşdirir (şəkil 3).
Şəkil 3: Sadələşdirilmiş Chireix faza güc gücləndirici blok diaqramı
NXP tərəfindən hazırlanmış və patentləşdirilmiş yeni sürücü texnologiyası, gücləndiricinin faz əlaqəsini idarə edərək təxminən 25% bant genişliyi üzərində yüksək effektivliyə nail olmasını təmin edir. Bu, E sinif gücləndiriciləri və yük modulyasiyasını doyma çıxdıqda gücləndiricilərin yüksək effektivliyini qorumaq üçün birləşdirən yeni bir arxitekturaya gətirib çıxardı ki, bu da müxtəlif mürəkkəb dalğa formalarına uyğunlaşmağa imkan verir. NXP, GaN cihazlarına əsaslanan E-sinif RF güc gücləndiricisi üçün bir referans dizaynı təqdim etdi və Chireix ilə əlaqəli texniki məlumatları əlavə etdi.
4. Zərf izləmə
Gücləndirici dizaynerlərin diqqət yetirdiyi digər bir əsas texnologiya da zərf izləmədir. Bu texnologiyada güc gücləndiricisinə tətbiq olunan gərginlik, gücü maksimuma çatdırmaq üçün pik bölgədə işləməsini təmin etmək üçün davamlı olaraq tənzimlənir. Tipik bir güc gücləndiricisi dizaynında DC-DC konvertoru tərəfindən verilən sabit gərginliklə müqayisədə, zərf izləmə enerji təchizatı, gücləndiriciyə qoşulmuş enerji mənbəyini ani zərflə sinxronlaşdırılan yüksək bant genişliyi, az səs-küylü dalğa forması ilə modulyasiya edir. siqnal.
CMOS RF güc cihazlarında zərf izləmə texnologiyasının istifadəsi olduqca cəlbedicidir. Nujira uzun illərdir bu texnologiyanı inkişaf etdirir. Bu texnologiyanın CMOS RF gücləndirici tətbiqlərindəki qeyri-xətti səbəb olan çatışmazlıqları aradan qaldıracağını göstərdilər. CMOS güc gücləndiriciləri, təhrifləri azaltmaq üçün geri düşmələrini tələb edən zəif xəttliliyinə görə mövcud yüksək PAR modulyasiya texnologiyası üçün pis bir seçim olaraq tənqid edilmişdir. CMOS gücləndiriciləri daha yüksək RF güc səviyyələrində işlədildikdə, kəsmə və təhrif baş verəcəkdir.
Bununla birlikdə, Nujira, DPD istifadə etmədən xətti problemlərini aradan qaldırmaq üçün patentləşdirilmiş ISOGAIN linearizasiya texnologiyasını özünün xüsusi zərf izləmə texnologiyasında birləşdirir. Bu texnologiyadan istifadə edən avadanlıqlar yüksək səmərəliliyin hədəfinə çatdı və digər cəhətlərdən GaAs ilə eyni performansı əldə etdi. CMOS gücləndiriciləri üzərində aparılan bütün tədqiqatların böyük bir faydası, CMOS cihazlarının bütün elektron sənayesində hər yerdə olduğu, bir çox tökmə müəssisələr tərəfindən dəstəkləndiyindən nisbətən ucuz olmasıdır. Silikon üzərində qurulduğu üçün güc və gücləndirici çipdə idarəetmə və qərəzli dövrələri birbaşa birləşdirmək də mümkündür.
5. Digər tamamilə fərqli metodlar
Digər bir gücləndirici texnologiya, Massachusetts Texnologiya İnstitutundan ayrılmış bir şirkət olan Eta Devices tərəfindən müdafiə edildi və iki elektrik mühəndisi professoru Joel Dawson və David Perreault və Ericsson və Huawei-dən keçmiş bir gücləndirici tədqiqatçısı tərəfindən quruldu. Asimmetrik Çox Səviyyəli Xaricləmə (AMO) texnologiyası, ADI-nin həmtəsisçisi Ray Stata və onun kapital firması Stata Venture Partners tərəfindən ortaq şəkildə qoyulan MIT tərəfindən hazırlanmışdır.
Şirkətin əsas hədəfi, inkişaf etməkdə olan bazarlardır, bunlar arasında yanacaq baxımından ildə 640,000 milyard ABŞ dollarına başa gələn 15 dizel generatoru elektrik stansiyası və ardından smartfonlar bazarıdır. Bu ilin fevral ayında Eta Devices, Eta5 cihazlarını İspaniyanın Barselona şəhərində keçirilən Mobil Rabitə Dünya Konqresinin Ətraflı LTE bölməsində nümayiş etdirdi. Avadanlıqların ötürmə kanalı 80 MHz-dən çoxdur.
Eta Devices cəsarətlə elan etdi ki, ETAdvanced (Qabaqcıl Zərf İzləmə) texnologiyasının baza stansiyası enerji xərclərini% 50 azaltacağı gözlənilir. Bununla yanaşı, smartfonların batareyanın ömrünü iki dəfə artıra biləcəyini iddia edir. Əsas şərt, gücləndiricinin RF güc transistorunun gözləmə rejimində və ötürmə rejimində eyni zamanda enerji istehlakını istehlak etməsidir və səmərəliliyin artırılmasının yeganə yolu gözləmə gücünü mümkün olan ən aşağı səviyyəyə endirməkdir.
Aşağı enerji istehlakı gözləmə rejimi və yüksək güc çıxışı arasında keçid pozulmasına səbəb olacaqdır. Mövcud sistemlər, yüksək enerji istehlakı bahasına bu vəziyyəti davamlı olaraq aşkar etmək üçün yüksək gözləmə gücünü saxlamalıdır. Eta Cihazlarının yanaşması saniyədə 20 milyon dəfə nümunə götürərək tranzistor üzərindəki ən aşağı enerji istehlakını istehlak edən gərginliyi seçməkdir.
Digər bir problem şirkətin LTE Advanced və 100 MHz bant genişliyi tələblərinin RF güc gücləndiricilərinə böyük tələbat yaradacağını izah etməsidir. Yalnız zərf izləmə bu vəziyyətə uyğunlaşa bilməz, çünki 40Mhz-dən daha geniş kanalları dəstəkləyə bilməz. Şirkətə görə, ETAdvanced 160 MHz-ə qədər kanalları dəstəkləyir, buna görə həm LTE-Advanced, həm də 802.11ac Wi-Fi ilə görüşə bilər. Texnologiyasından istifadə edən baza stansiyaları çox kiçik ola bilər və şirkət orta məhsuldarlığı 70% -dən çox olan ilk LTE ötürücüsünü inkişaf etdirdiyini iddia edir.
6. Xülasə
RF enerji səmərəliliyinin artırılması üçün hazırkı işləri tam təsvir etsəniz, böyük bir kitab yaza bilərsiniz. Bu məzmunlar bu məqalədə müzakirə olunan sahə ilə məhdudlaşmır, eyni zamanda müxtəlif növ gücləndiricilərin və dəstəkləyən texnologiyaların istifadəsini də əhatə edir. Bu texnologiyaların birləşməsi mənalı nəticələr verə bilər. Nə qədər irəliləyiş əldə olunsa da, daha yüksək məlumat dərəcələrinə tələb hələ də mövcud olduğu müddətdə daha yüksək səmərəliliyin axtarışı davam edəcəyi şübhəsizdir.
Bizim digər məhsul:
