Kuinka parantaa RF-tehovahvistimen tehokkuutta?

Termodynamiikan peruslaki paljastaa, ettei mikään elektroninen laite voi saavuttaa 100-prosenttista hyötysuhdetta, vaikka kytkentävirtalähteet ovatkin suhteellisen lähellä (jopa 98%). Valitettavasti mikään laite, joka tuottaa radiotaajuutta, ei tällä hetkellä pysty saavuttamaan ihanteellista suorituskykyä tai lähellä sitä, koska tasavirran muuntamisessa radiotaajuustuotteeksi on liian paljon virheitä, mukaan lukien koko signaalipolun lähetyksen aiheuttama menetys, toimintataajuus Ajan menetys ja laitteen luonnollinen ominaishäviö. Tämän seurauksena MIT Technology Review -lehden artikkeli kommentoi juhlattomasti RF-tehovahvistinta: "Se on erittäin tehoton laitteisto."

Ei ole yllättävää, että radiotaajuisten virtatuotevalmistajien kaikki näkökohdat, puolijohteista vahvistimiin lähettimiin, sekä yliopistot ja puolustusministeriö käyttävät joka vuosi paljon aikaa ja taloudellisia resursseja radiotaajuuslaitteiden tehokkuuden parantamiseen. Tähän on hyvät syyt: jopa pieni tehokkuuden nousu voi pidentää akkukäyttöisten tuotteiden työaikaa ja vähentää langattomien tukiasemien vuotuista virrankulutusta. Kuvassa 1 on esitetty RF-osan suhde tukiaseman kokonaistehonkulutukseen.

Kuva 1: Lisäämällä eri radiotaajuustuotteiden asiaankuuluvat osat tukiaseman virrankulutukseen lopputulos on melko suuri.

Onneksi vuosien jatkuvien ponnistelujen avulla radiotaajuuden tehokkuuden parantamiseksi nämä olosuhteet muuttuvat vähitellen. Jotkut näistä tehtävistä ovat laitetasolla, kun taas toiset käyttävät joitain innovatiivisia tekniikoita, kuten kirjekuoren seuranta, digitaaliset esivääristymien / harjakertoimien vähentämisjärjestelmät ja vahvistimien käyttö, jotka ovat edistyneempiä kuin tavalliset AB-luokan tasot.

Suuri muutos vahvistimen suunnittelussa on Doherty-arkkitehtuuri, josta on tullut standardi tukiasemavahvistimille 5 vuoden kuluessa. Koska Dr.Doherty Bell Laboratoriesista (josta tuli osa Westinghouse Electriciä) keksi tämän arkkitehtuurin vuonna 1936, se on ollut hiljainen suurimman osan ajasta ja sitä on käytetty vain muutamassa sovelluksessa.

Dohertyn tutkimus on luonut uuden vahvistinrakenteen, joka voi tuottaa erittäin suuren tehonlisätehon, kun tulosignaalilla on erittäin korkea huippu-keskiarvo-suhde (PAR). Itse asiassa, jos se on suunniteltu oikein, Doherty-vahvistimien hyötysuhdetta voidaan lisätä 11% - 14% verrattuna tavallisiin AB-luokan vahvistimiin.

Tietysti monien vuosien ajan vuoden 1936 jälkeen nämä ominaisuudet ovat vain muutamilla signaalityypeillä, kuten AM ja FM, jotka käyttävät modulointimenetelmiä viestintäjärjestelmissä. Tällä hetkellä melkein jokainen langaton järjestelmä tuottaa korkeita PAR-signaaleja WCDMA: sta CDMA2000: een mihin tahansa järjestelmään, joka käyttää ortogonaalista taajuusjakoista multipleksointia (OFDM), kuten WiMAX, LTE ja viime aikoina Wi-Fi.

Kuva 2: Tyypillinen Doherty-vahvistin

Klassinen Doherty-vahvistin (kuva 2), joka voidaan luokitella kuormitusmodulaatioarkkitehtuuriksi, koostuu itse asiassa kahdesta vahvistimesta: kantoaaltovahvistimesta, joka on esijännitetty toimimaan AB-luokan tilassa, ja huippuvahvistimesta, joka on esijännitetty luokan C-tilaan. Tehonjakaja jakaa tulosignaalin tasaisesti kullekin vahvistimelle 90 °: n vaihe-erolla. Vahvistuksen jälkeen signaali syntetisoidaan uudelleen tehokytkimen kautta. Kaksi vahvistinta toimivat samanaikaisesti, kun tulosignaali on huipussaan, ja kumpikin käyttäytyy kuormitusimpedanssina maksimoidakseen lähtötehon.

Kuitenkin, kun tulosignaalin teho laskee, luokan C huippuvahvistin kytketään pois päältä ja vain luokan AB kantoaaltovahvistin toimii edelleen. Alemmilla tehotasoilla luokan AB kantovahvistin käyttäytyy moduloituna kuormitusimpedanssina tehokkuuden ja vahvistuksen parantamiseksi. Arkkitehtuurin uudistetun elinvoimaisuuden ansiosta Doherty-vahvistimen suunnittelu on edistynyt merkittävästi nopeassa iteroinnissa ja saavuttanut suuren menestyksen.

Tietenkään mikään arkkitehtuuri ei ole täydellinen. Doherty-vahvistimen lineaarisuus ja lähtöteho ovat hieman huonompia kuin kaksoisluokan AB-vahvistimet. Tämä tuo meille toisen tärkeän piirin, josta on tullut välttämätön valinta nykypäivän viestintäympäristössä: analoginen ja digitaalinen linearisointitekniikka. Tämän tekniikan yleisimmin käytetty on digitaalinen esivääristymä (DPD), joskus yhdistettynä harjakertoimen vähentämiseen (CFR). Sekä DPD että CFR voivat vähentää huomattavasti Dohertyn vääristymiä, ja huolellinen laitteen ja vahvistimen suunnittelu voi minimoida lineaarisuuden menetyksen. Niitä ei kuitenkaan ole tarkasti määritelty käytettäväksi Doherty-vahvistimissa, ja niiden vaikutukset ovat melko ilmeisiä, kun niitä käytetään muissa vahvistinrakenteissa.

1. Paranna lineaarisuutta

Moderni digitaalinen modulaatiotekniikka edellyttää, että vahvistimen lineaarisuus on riittävän korkea, muuten intermodulaatiovääristymät tapahtuvat ja signaalin laatu heikkenee. Valitettavasti, kun vahvistimet toimivat parhaimmillaan, ne kaikki ovat lähellä kyllästystasojaan. Myöhemmin niistä tulee epälineaarisia, RF-teho laskee, kun syöttöteho kasvaa, ja merkittävät vääristymät alkavat näkyä. Tämä vääristymä voi aiheuttaa ylikuulumisen vierekkäisten kanavien tai palveluiden välillä. Tämän seurauksena suunnittelijat yleensä peruuttavat RF-lähtötehon "turvalliselle alueelle" lineaarisuuden varmistamiseksi. Kun he tekevät tämän, useita RF-transistoreita tarvitaan tietyn RF-lähtötehon saavuttamiseksi, mikä lisää virrankulutusta ja johtaa lyhyempään akun kestoon tai korkeampiin käyttökustannuksiin tukiasemilla.

DPD tuo tehokkaasti "vääristymien eston" vahvistimen tuloon eliminoiden vahvistimen epälineaarisuuden. Tämän seurauksena vahvistimen ei tarvitse laskea takaisin optimaaliseen toimintapisteeseen, joten RF-virtalähteitä ei enää tarvita. Vahvistimien tehostaessa etuja ovat pienemmät jäähdytyskustannukset ja kaikki tärkeät virrankulutukset. Kun CFR toimii, vääristymiä tarkistetaan jatkuvasti vähentämällä tulosignaalin huippu-keskiarvoa. Tämä menetelmä pienentää signaalin huippuarvoa siten, että signaali ei aiheuta leikkausta tai vääristymiä, kun se kulkee vahvistimen läpi. Kun DPD: tä ja CFR: ää käytetään yhdessä, voidaan saavuttaa suurempi vahvistus.
2. Vaiheen ulkopuolinen tehovahvistinmenetelmä

Toinen tekniikka on patentoitu tekniikka, jonka Henri Chireix keksi ja hallitsi lähes 80 vuotta sitten. Sitä kutsutaan yleensä "korostamiseksi" (korostamalla tehovahvistinta, joka on kuormitusmodulaatioteknologiaperheen jäsen). Tällä hetkellä sitä käyttävät Fujitsu, NXP jne. Vahvistimen tehokkuuden parantamiseksi. Se yhdistää kaksi epälineaarista RF-vahvistinta, joita ohjaavat eri vaiheiden signaalit. Koska vaihetta ohjataan, kun lähtösignaali kytketään, luokan B RF-tehovahvistimien avulla voidaan saavuttaa hyötysuhde. Huolellinen suunnittelutekniikka, erityisesti sopivan reaktanssin valitseminen, voi optimoida järjestelmän tiettyyn ulostulon amplitudiin, mikä tuo tehokkuuden kaksinkertaisen kasvun (ainakin teoriassa).

Fujitsu ilmoitti viime vuonna, että se on ottanut käyttöön korostamismenetelmän tietyssä tehovahvistimessa, integroimalla pienikokoisen, pienihäviöisen kytkentäpiirin ja DSP-pohjaisen vaihevirheenkorjauspiirin, joka on 65% yleisestä lähetysajasta. olemassa olevat vahvistimet. , Vahvistimen lähetysaika voi ylittää 95%. Suunnittelun testaamiseksi tämän vahvistimen huipputeho voi olla 100 wattia; keskimääräinen sähköinen hyötysuhde nostetaan 50 prosentista 70 prosenttiin.

Tulosignaali on jaettu kahteen signaaliin, joilla on vakio amplitudi- ja vaihemuutokset. Amplitudi asetetaan RF-voimalaitteen mukaan, ja tehokytkentäpiiri rekonstruoi lähdesignaalin aaltomuodon. Aikaisemmin, kun lähdesignaali rekonstruoitiin, kytkentätarkkuuden menetys tarvitaan vaihe-eron määrittämiseksi, mikä esti tämän tekniikan kaupallistamisen. Fujitsun käyttämässä liittimessä on lyhyempi signaalireitti, mikä vähentää häviötä ja lisää kaistanleveyttä.

3. NXP: n lupaava kehitys

Eräs muunnos mekanismista ilman kuorman modulaatiovaikutusta kutsutaan epälineaarisen käsitteen lineaariseksi vahvistimeksi (LINC), joka käyttää erillistä kytkin- ja vahvistusvaihetta kylläisyyden ajamiseksi ja voi tehokkaasti parantaa lineaarisuutta ja huipputehokkuutta. LINC-vahvistimien hyötysuhde on kuitenkin suhteellisen alhainen, koska kukin vahvistin toimii tasaisella teholla, jopa matalilla radiotaajuuksilla. Chireix korjasi tämän yhdistämällä korostamisen erottamattomalla kytkimellä ja kuorman moduloinnilla keskimääräisen hyötysuhteen lisäämiseksi. NXP Semiconductors on tehnyt lisäparannuksen käyttämällä korostusta kahden kytkintilan RF-vahvistimen ohjaamiseen niiden mukauttamiseksi suurimpien huipputekijöiden signaaleihin. Yhtiö yhdistää Chireixoutphasing-tekniikan GaN HEMT -kytkinten luokan E vahvistimien kanssa (kuva 3).

Kuva 3: Yksinkertaistettu Chireix-vaiheen ulkopuolinen tehovahvistimen lohkokaavio

NXP: n kehittämä ja patentoima uusi ohjaintekniikka antaa vahvistimelle mahdollisuuden saavuttaa korkea hyötysuhde noin 25%: n kaistanleveydellä säätämällä vaihesuhdetta. Tämä on johtanut uuteen arkkitehtuuriin, jossa yhdistyvät luokan E vahvistimet ja kuormituksen modulointi ylläpitämään vahvistimien korkea hyötysuhde, kun ne poistuvat kylläisyydestä, mikä antaa heille mahdollisuuden sopeutua erilaisiin monimutkaisiin aaltomuotoihin. NXP toimitti referenssisuunnitelman GaN-laitteisiin perustuvalle E-luokan radiotehovahvistimelle ja lisäsi Chireixiin liittyviä teknisiä tietoja.

4. Kirjekuoren seuranta

Toinen keskeinen tekniikka, johon vahvistinsuunnittelijat kiinnittävät huomiota, on kirjekuoren seuranta. Tässä tekniikassa tehovahvistimeen syötettyä jännitettä säädetään jatkuvasti sen varmistamiseksi, että se toimii huippualueella tehon maksimoimiseksi. Verrattuna DC-DC-muuntimen kiinteään jännitteeseen tyypillisessä tehovahvistinrakenteessa, verhokäyräseurantalähde moduloi vahvistimeen kytketyn virtalähteen suuren kaistanleveyden ja matalan melun aaltomuodolla, joka synkronoidaan hetkellisen kirjekuoren kanssa. signaali.

Kirjekuorien seurantatekniikan käyttö CMOS-radiotaajuuslaitteissa houkuttelee huomattavasti. Nujira on kehittänyt tätä tekniikkaa monien vuosien ajan. He ovat osoittaneet, että tämä tekniikka voi voittaa epälineaarisuuksien aiheuttamat puutteet CMOS RF -vahvistinsovelluksissa. CMOS-tehovahvistimia on kritisoitu huonoksi valinnaksi nykyiselle korkean PAR-modulaatiotekniikalle niiden luonteenomaisen heikon lineaarisuuden takia, mikä vaatii heitä pudottamaan vääristymien vähentämiseksi. Kun CMOS-vahvistimia käytetään korkeammalla radiotaajuustasolla, tapahtuu leikkauksia ja vääristymiä.

Nujira kuitenkin yhdistää patentoidun ISOGAIN-linearisointiteknologian omaan kirjekuoren seurantatekniikkaansa lineaarisuusongelmien poistamiseksi ilman DPD: tä. Tätä tekniikkaa käyttävät laitteet ovat saavuttaneet korkean hyötysuhteen tavoitteen ja saavuttaneet saman suorituskyvyn kuin GaAs muilla näkökohdilla. CMOS-vahvistimia koskevan tutkimuksen valtava etu on, että CMOS-laitteet ovat läsnä kaikkialla elektroniikkateollisuudessa, ja monet valimot tukevat niitä, joten ne ovat suhteellisen halpoja. Koska se perustuu piiin, on myös mahdollista integroida ohjaus- ja esijännitepiirit suoraan tehovahvistimen sirulle.

5. Muut täysin erilaiset menetelmät

Massachusettsin teknillisestä instituutista erotettu yritys Eta Devices kannatti toista vahvistintekniikkaa, jonka perustivat kaksi sähkötekniikan professoria Joel Dawson ja David Perreault sekä entinen vahvistintutkija Ericssonista ja Huaweiista. Sen Asymmetric Multi-Level Outphasing (AMO) -tekniikan on kehittänyt MIT, jonka ADI: n perustajat Ray Stata ja hänen pääomasijoitusyhtiönsä Stata Venture Partners investoivat yhdessä.

Yhtiön ensisijainen tavoite on kehittyvät markkinat, mukaan lukien jopa 640,000 15 dieselmoottorivoimalaitosta, jotka maksavat polttoaineena 5 miljardia dollaria vuodessa, ja älypuhelimien markkinat. Tämän vuoden helmikuussa Eta Devices esitteli Eta80-laitteitaan Barcelonassa Espanjassa pidettävässä Mobile Communications World Congress -sovelluksen Advanced LTE -osiossa. Laitteen siirtokanava ylittää XNUMX MHz.

Eta Devices ilmoitti rohkeasti, että sen ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) -tekniikan odotetaan vähentävän tukiasemien energiakustannuksia 50%. Se väittää myös, että se voi kaksinkertaistaa älypuhelinten akunkeston. Lähtökohtana on, että vahvistimen RF-tehotransistori kuluttaa virrankulutusta samanaikaisesti valmiustilassa ja lähetystilassa, ja ainoa tapa parantaa tehokkuutta on pienentää valmiustehoa alimmalle mahdolliselle tasolle.
Vaihto pienen virrankulutuksen valmiustilan ja suuren tehon välillä aiheuttaa vääristymiä. Nykyisten järjestelmien on ylläpidettävä korkea valmiustilan tehotaso tämän tilan havaitsemiseksi jatkuvasti suuren virrankulutuksen kustannuksella. Eta Devicesin lähestymistapa on valita jännite, joka kuluttaa pienimmän virrankulutuksen transistorissa, ottamalla näytteitä jopa 20 miljoonaa kertaa sekunnissa.

Toinen ongelma on, että yritys selitti, että LTE Advanced- ja 100 MHz -kaistanleveysvaatimukset luovat valtavaa kysyntää RF-vahvistimille. Pelkkä kirjekuorien seuranta ei voi sopeutua tähän tilanteeseen, koska se ei tue yli 40 MHz: n kanavia. Yrityksen mukaan ETAdvanced tukee jopa 160 MHz: n kanavia, joten se voi tavata sekä LTE-Advanced- että 802.11ac Wi-Fi -yhteydet. Sen tekniikkaa käyttävät tukiasemat voivat olla hyvin pieniä, ja yritys väittää kehittäneensä ensimmäisen LTE-lähettimen, jonka keskimääräinen hyötysuhde on yli 70%.

6. Yhteenveto

Jos kuvaat täysin radiotaajuuden tehokkuuden parantamiseksi tehtyä nykyistä työtä, voit kirjoittaa suuren kirjan. Nämä sisällöt eivät rajoitu tässä artikkelissa käsiteltyyn laajuuteen, mutta ne sisältävät myös erityyppisten vahvistimien ja tukitekniikoiden käytön. Näiden tekniikoiden yhdistelmä voi tuottaa merkityksellisiä tuloksia. Riippumatta siitä, kuinka paljon edistystä on tapahtunut, on varmaa, että niin kauan kuin kysyntää suuremmille tiedonsiirtonopeuksille on edelleen olemassa, korkeamman tehokkuuden etsiminen jatkuu.