Kaip pagerinti RF galios stiprintuvo efektyvumą?
Pagrindiniai termodinamikos dėsniai atskleidžia, kad jokia elektroninė įranga negali pasiekti 100% efektyvumo, nors perjungimo maitinimo šaltiniai yra palyginti arti (iki 98%). Deja, bet kuris įrenginys, generuojantis radijo dažnių energiją, šiuo metu negali pasiekti arba pasiekti idealų našumą, nes nuolatinės srovės energiją paverčiant RF gaminio energija yra per daug defektų, įskaitant nuostolius, kuriuos sukelia visas signalo kelio perdavimas veikimo dažnis Laiko praradimas ir būdingi prietaiso nuostoliai. Todėl „MIT Technology Review“ straipsnyje be ceremonijų buvo pakomentuotas RF galios stiprintuvas: „Tai labai neefektyvi aparatūra“.
Nenuostabu, kad kiekvienas radijo dažnių energijos gamintojų aspektas, pradedant puslaidininkiais, stiprintuvais ir siųstuvais, taip pat universitetai ir Gynybos departamentas, kiekvienais metais praleidžia daug laiko ir finansinių išteklių, kad pagerintų radijo dažnių įrenginių efektyvumą. Tam yra rimtų priežasčių: net šiek tiek padidėjęs efektyvumas gali prailginti baterijomis varomų gaminių darbo laiką ir sumažinti belaidžių bazinių stočių metinį energijos suvartojimą. 1 paveiksle pavaizduota RF dalies ir visos bazinės stoties energijos sąnaudos dalis.
1 paveikslas. Pridedant atitinkamas įvairių radijo dažnių produktų dalis prie bazinės stoties energijos suvartojimo, galutinis rezultatas bus gana didelis.
Laimei, po daugybės nuolatinių pastangų gerinti radijo dažnių efektyvumą šios sąlygos palaipsniui keičiasi. Kai kurios iš šių užduočių yra įrenginio lygmenyje, o kitos naudoja kai kurias novatoriškas technologijas, tokias kaip voko sekimas, skaitmeninio išankstinio iškraipymo / keteros faktoriaus mažinimo schemos ir pažangesnių nei įprasti AB klasės stiprintuvų naudojimas.
Didelis stiprintuvo dizaino pokytis yra „Doherty“ architektūra, kuri per 5 metus tapo bazinių stočių stiprintuvų standartu. Nuo tada, kai daktaras Doherty iš „Bell Laboratories“ (kuris vėliau tapo „Westinghouse Electric“ dalimi) išrado šią architektūrą 1936 m., Ji beveik visą laiką buvo tyli ir buvo naudojama tik keliose programose.
Doherty tyrimai sukūrė naują stiprintuvo struktūrą, kuri gali užtikrinti ypač didelį pridėtinės galios efektyvumą, kai įvesties signalas turi labai aukštą piko ir vidutinio santykį (PAR). Tiesą sakant, tinkamai suprojektuotas, „Doherty“ stiprintuvų efektyvumas gali būti padidintas 11–14%, palyginti su standartiniais lygiagrečios klasės AB stiprintuvais.
Žinoma, daugelį metų po 1936 m. Šias savybes turi tik keli signalų tipai, pavyzdžiui, AM ir FM, kurie naudoja moduliavimo schemas ryšių sistemose. Šiuo metu beveik kiekviena belaidė sistema generuoja aukštus PAR signalus, pradedant WCDMA, baigiant CDMA2000, ir baigiant bet kuria sistema, naudojančia ortogonalaus dažnio dalijimąsi (OFDM), pvz., „WiMAX“, LTE ir pastaruoju metu „Wi-Fi“.
2 paveikslas: Tipiškas „Doherty“ stiprintuvas
Klasikinį „Doherty“ stiprintuvą (2 pav.), Kurį galima klasifikuoti kaip apkrovos moduliavimo architektūrą, iš tikrųjų sudaro du stiprintuvai: nešiklio stiprintuvas, įstrižai veikiantis AB klasės režimu, ir smailės stiprintuvas, įjungtas į C klasės režimą. Galios daliklis įvesties signalą padalija po lygiai kiekvienam stiprintuvui su 90 ° fazių skirtumu. Po sustiprinimo signalas vėl sintezuojamas per maitinimo jungtį. Du stiprintuvai veikia tuo pačiu metu, kai įėjimo signalas yra didžiausias, ir kiekvienas veikia kaip apkrovos varža, kad maksimaliai padidintų išėjimo galią.
Tačiau krentant įėjimo signalo galiai, C klasės smailės stiprintuvas yra išjungtas ir vis tiek veikia tik AB klasės nešiojamasis stiprintuvas. Esant mažesniam galios lygiui, AB klasės nešiklio stiprintuvas veikia kaip moduliuojama apkrovos varža, kad pagerėtų efektyvumas ir padidėjimas. Atnaujinus architektūros gyvybingumą, „Doherty“ stiprintuvo dizainas padarė didelę pažangą greitose iteracijose ir sulaukė didelės sėkmės.
Žinoma, jokia architektūra nėra tobula. „Doherty“ stiprintuvo tiesiškumas ir išėjimo galia yra šiek tiek blogesni nei dvigubos klasės AB stiprintuvo. Tai atneša mums dar vieną svarbią grandinę, kuri tapo nepakeičiamu pasirinkimu šiandieninėje komunikacijos aplinkoje: analoginė ir skaitmeninė linearizacijos technologija. Plačiausiai naudojama ši technologija yra skaitmeninis išankstinis iškraipymas (DPD), kartais derinamas su keteros faktoriaus mažinimu (CFR). Tiek DPD, tiek CFR gali labai sumažinti Doherty iškraipymus, o kruopštus prietaisų ir stiprintuvų dizainas gali sumažinti tiesiškumo nuostolius. Tačiau jie nėra griežtai apibrėžti naudoti „Doherty“ stiprintuvuose, o jų poveikis yra gana akivaizdus, kai naudojamas kitose stiprintuvų struktūrose.
1. Pagerinkite tiesiškumą
Šiuolaikinė skaitmeninės moduliacijos technologija reikalauja, kad stiprintuvo tiesiškumas būtų pakankamai didelis, kitaip atsiras intermoduliacijos iškraipymų ir sumažės signalo kokybė. Deja, kai stiprintuvai veikia geriausiai, jie visi yra arti savo prisotinimo lygio. Vėliau jie tampa nelinijiniai, RF galia sumažėja, kai įėjimo galia didėja, ir pradeda ryškėti iškraipymai. Dėl šio iškraipymo gali atsirasti kliūčių tarp gretimų kanalų ar paslaugų. Todėl projektuotojai, norėdami užtikrinti tiesiškumą, paprastai išjungia radijo dažnių išvesties galią į „saugią zoną“. Kai jie tai padarys, norint gauti tam tikrą radijo dažnio išėjimo galią, reikalingi keli RF tranzistoriai, kurie padidins srovės suvartojimą ir lems trumpesnį baterijos veikimo laiką arba didesnes eksploatacijos išlaidas bazinėse stotyse.
DPD veiksmingai įjungia stiprintuvo įvestį „nuo iškraipymų“, pašalindama stiprintuvo netiesiškumą. Dėl to stiprintuvui nereikia grįžti į optimalų darbo tašką, todėl nebereikia jokių RF maitinimo įtaisų. Kai stiprintuvai tampa efektyvesni, nauda yra mažesnė aušinimo kaina ir visos svarbios energijos sąnaudos. Kai CFR veikia, iškraipymas nuolat tikrinamas mažinant įėjimo signalo smailės ir vidutinio santykį. Šis metodas sumažina signalo didžiausią vertę, kad eidamas per stiprintuvą signalas nesukeltų iškarpų ar iškraipymų. Kai DPD ir CFR naudojami kartu, galima pasiekti didesnį pelną.
2. Fazinio galios stiprintuvo metodas
Kita technologija yra patentuota technologija, kurią išrado ir laikė Henri Chireix beveik prieš 80 metų. Paprastai tai vadinama „išskyrimu“ (išskiriant galios stiprintuvą, apkrovos moduliavimo technologijų šeimos narį). Šiuo metu jį naudoja „Fujitsu“, NXP ir kt. Norėdami pagerinti stiprintuvo efektyvumą. Jis sujungia du nelinijinius RF galios stiprintuvus, kuriuos valdo skirtingų fazių signalai. Kadangi fazė yra valdoma, sujungus išėjimo signalą, naudojant B klasės RF galios stiprintuvus galima padidinti efektyvumą. Kruopšti projektavimo technika, ypač parenkant tinkamą reaktyvumą, gali optimizuoti sistemą iki tam tikros išėjimo amplitudės, kuri du kartus padidins efektyvumą (bent jau teoriškai).
Praėjusiais metais „Fujitsu“ paskelbė, kad tam tikrame galios stiprintuve pritaikė pabrėžimo metodą, integruodama kompaktišką, mažų nuostolių galios sukabinimo grandinę ir su DSP pagrįsta fazių klaidų taisymo grandine, kuri yra 65% bendro perdavimo laiko. esamus stiprintuvus. , Stiprintuvo perdavimo laikas gali viršyti 95%. Norėdami patikrinti konstrukciją, šio galios stiprintuvo didžiausia galia gali siekti 100 vatų; vidutinis elektros efektyvumas padidinamas nuo 50% iki 70%.
Įvesties signalas yra padalintas į du signalus, kurių amplitudė ir fazės pokyčiai yra pastovūs. Amplitudė nustatoma pagal radijo dažnio galios įrenginį, o maitinimo jungties grandinė rekonstruoja šaltinio signalo bangos formą. Anksčiau, kai buvo rekonstruotas šaltinio signalas, fazių skirtumui nustatyti reikalingas sukabinimo tikslumo praradimas, kuris neleido šios technologijos komercializuoti. „Fujitsu“ naudojama jungtis turi trumpesnį signalo kelią, todėl sumažėja nuostoliai ir padidėja pralaidumas.
3. Perspektyvi NXP plėtra
„Outphasing“ mechanizmo variantas be apkrovos moduliavimo efekto vadinamas linijiniu netiesinės koncepcijos stiprintuvu (LINC), kuris naudoja atskirą jungties ir stiprintuvo pakopą, kad pasiektų prisotinimą, ir gali efektyviai pagerinti tiesiškumą ir maksimalų efektyvumą. Tačiau LINC stiprintuvų efektyvumas yra palyginti mažas, nes kiekvienas stiprintuvas veikia pastovia galia, net esant žemam RF išėjimo lygiui. Chireix tai ištaisė, padidindamas vidutinį efektyvumą derindamas išskyrimą su neatskirta jungtimi ir apkrovos moduliavimą. „NXP Semiconductors“ padarė dar didesnį patobulinimą, pabrėždamas dviejų jungiklių režimo RF stiprintuvų valdymą, kad jie būtų pritaikyti aukšto lygio faktoriaus signalams. Bendrovė derina „Chireixoutphasing“ technologiją su „GaN HEMT“ perjungiančiais E klasės stiprintuvais (3 pav.).
3 paveikslas: Supaprastinta „Chireix“ ne fazės galios stiprintuvo blokinė schema
NXP sukurta ir užpatentuota nauja tvarkyklių technologija leidžia stiprintuvui pasiekti aukštą efektyvumą maždaug 25% pralaidumu valdant fazių santykį. Tai leido sukurti naują architektūrą, kuri sujungia E klasės stiprintuvus ir apkrovos moduliavimą, kad išlaikytų aukštą stiprintuvų efektyvumą, kai jie išeina iš prisotinimo, o tai leidžia jiems prisitaikyti prie įvairių kompleksinių bangų formų. „NXP“ pateikė E klasės RF galios stiprintuvo, pagrįsto „GaN“ įrenginiais, pavyzdinį projektą ir pridėjo su „Chireix“ susijusią techninę informaciją.
4. Vokų sekimas
Kita pagrindinė technologija, į kurią atkreipia dėmesį stiprintuvų dizaineriai, yra vokų sekimas. Taikant šią technologiją, galios stiprintuvui naudojama įtampa nuolat reguliuojama, siekiant užtikrinti, kad ji veiktų smailės srityje, kad maksimaliai padidintų galią. Palyginti su nuolatinės įtampos, kurią suteikia nuolatinės ir nuolatinės srovės keitiklis, tipiškai maitinant stiprintuvą, voko sekimo maitinimo šaltinis prie stiprintuvo prijungtą maitinimo šaltinį moduliuoja didelio dažnių juostos pločio ir mažo triukšmo bangos forma, kuri sinchronizuojama su momentiniu gaubtu signalas.
Voko stebėjimo technologijos naudojimas CMOS RF maitinimo įrenginiuose yra labai patrauklus. „Nujira“ jau daugelį metų kuria šią technologiją. Jie parodė, kad ši technologija gali įveikti trūkumus, kuriuos sukelia netiesiškumas CMOS RF stiprintuvų programose. CMOS galios stiprintuvai buvo kritikuojami kaip netinkamas dabartinės didelės PAR moduliacijos technologijos pasirinkimas dėl jiems būdingo blogo tiesiškumo, dėl kurio reikia nukristi, kad būtų sumažintas iškraipymas. Kai CMOS stiprintuvai veikia esant didesniam RF galios lygiui, atsiras iškraipymų ir iškraipymų.
Tačiau „Nujira“ sujungia savo patentuotą ISOGAIN linearizacijos technologiją į savo nuosavą voko sekimo technologiją, kad pašalintų linijiškumo problemas nenaudojant DPD. Įranga, naudojanti šią technologiją, pasiekė didelio efektyvumo tikslą ir kitais aspektais pasiekė tokį patį našumą kaip „GaAs“. Didžiulė visų CMOS stiprintuvų tyrimų nauda yra ta, kad CMOS įrenginiai yra visur visur elektronikos pramonėje, juos palaiko daugybė liejyklų, todėl jie yra palyginti pigūs. Kadangi jo pagrindas yra silicis, galios stiprintuvo luste taip pat galima tiesiogiai integruoti valdymo ir šališkumo grandines.
5. Kiti visiškai skirtingi metodai
Kitą stiprintuvo technologiją palaikė bendrovė „Eta Devices“, atsiskyrusi nuo Masačusetso technologijos instituto. Ją įkūrė du elektrotechnikos profesoriai Joelis Dawsonas ir Davidas Perreaultas bei buvęs „Ericsson“ ir „Huawei“ stiprintuvų tyrėjas. Jos asimetrinę daugiapakopio išskyrimo (AMO) technologiją sukūrė MIT, kurią kartu investavo ADI įkūrėjai Ray Stata ir jo rizikos kapitalo įmonė „Stata Venture Partners“.
Pagrindinis bendrovės tikslas yra besivystančios rinkos, įskaitant net 640,000 15 dyzelinių generatorių jėgainių bazinių stočių, kurios per metus kainuoja 5 milijardų JAV dolerių kuro atžvilgiu, po to seka išmaniųjų telefonų rinka. Šių metų vasarį „Eta Devices“ demonstravo savo „Eta80“ įrangą Pasaulio mobiliųjų ryšių kongreso „Advanced LTE“ skyriuje Barselonoje, Ispanijoje. Įrangos perdavimo kanalas viršija XNUMX MHz.
„Eta Devices“ drąsiai pareiškė, kad tikimasi, jog jos „ETAdvanced“ (Advanced Envelope Tracking) technologija sumažins bazinių stočių energijos sąnaudas 50%. Taip pat teigiama, kad tai gali padvigubinti išmaniųjų telefonų baterijos veikimo laiką. Prielaida yra ta, kad stiprintuvo RF galios tranzistorius budėjimo režimu ir perdavimo režimu vienu metu sunaudoja energiją, o vienintelis būdas pagerinti efektyvumą yra sumažinti budėjimo režimo galią iki kuo žemesnio lygio.
Perjungimas tarp mažo energijos suvartojimo budėjimo režimo ir didelės galios galią iškraipys. Esamoms sistemoms reikia palaikyti aukštą budėjimo režimo galios lygį, kad būtų galima nuolat nustatyti šią būseną didelių energijos sąnaudų kaina. „Eta Devices“ metodas yra pasirinkti įtampą, kuri sunaudoja mažiausią energijos suvartojimą tranzistore, imant mėginius iki 20 milijonų kartų per sekundę.
Kita problema yra ta, kad bendrovė paaiškino, kad „LTE Advanced“ ir 100 MHz pralaidumo reikalavimai sukurs didžiulę RF galios stiprintuvų paklausą. Vien vokų sekimas negali prisitaikyti prie šios situacijos, nes jis negali palaikyti didesnių nei 40Mhz kanalų. Pasak bendrovės, „ETAdvanced“ palaiko iki 160 MHz kanalus, todėl gali patenkinti tiek „LTE-Advanced“, tiek „802.11ac Wi-Fi“. Bazinės stotys, naudojančios jos technologijas, gali būti labai mažos, ir bendrovė teigia sukūrusi pirmąjį LTE siųstuvą, kurio vidutinis efektyvumas yra didesnis nei 70%.
6. Santrauka
Jei išsamiai aprašysite dabartinį darbą, padarytą gerinant radijo dažnių energijos efektyvumą, galite parašyti didelę knygą. Šis turinys neapsiriboja šiame straipsnyje aptarta sritimi, bet taip pat apima įvairių tipų stiprintuvų ir pagalbinių technologijų naudojimą. Šių technologijų derinys gali duoti reikšmingų rezultatų. Nepaisant to, kiek padaryta pažanga, yra tikra, kad tol, kol vis dar egzistuoja didesnių duomenų perdavimo spartos poreikis, tolimesnio efektyvumo paieškos bus tęsiamos.
Mūsų kitas produktas:
