Hogyan lehetne javítani az RF erősítő hatékonyságát?
A termodinamika alaptörvényei azt mutatják, hogy egyetlen elektronikai berendezés sem képes elérni a 100% -os hatékonyságot, bár a kapcsoló tápegységek viszonylag közel vannak (akár 98%). Sajnos bármely eszköz, amely rádiófrekvenciás áramot termel, jelenleg nem képes elérni az ideális teljesítményt, vagy annak közelében van, mert túl sok hiba van abban, hogy az egyenáramot rádiófrekvenciává alakítsák, beleértve a teljes jelátviteli jel által okozott veszteséget is a működési frekvencia Időveszteség és a készülék jellegzetes vesztesége. Ennek eredményeként az MIT Technology Review egyik cikke szertelenül kommentálta az RF teljesítményerősítőt: "Ez egy nagyon nem hatékony hardver."
Nem meglepő, hogy a rádiófrekvenciás áramtermékek gyártói, a félvezetőktől az erősítőkön át az adóig, valamint az egyetemek és a Védelmi Minisztérium minden szempontból sok időt és pénzügyi forrást költenek évente az RF tápegységek hatékonyságának javítására. Ennek jó okai vannak: a hatékonyság enyhe növekedése is meghosszabbíthatja az akkumulátorral működő termékek munkaidejét és csökkentheti a vezeték nélküli bázisállomások éves energiafogyasztását. Az 1. ábra az RF rész arányát mutatja a bázisállomás teljes energiafogyasztásához.
1. ábra: A különféle rádiófrekvenciás termékek releváns részeinek hozzáadása a bázisállomás energiafogyasztásához a végeredmény elég nagy lesz.
Szerencsére évek óta tartó folyamatos erőfeszítések után az RF hatékonyság javítása érdekében ezek a feltételek fokozatosan megváltoznak. Ezen feladatok egy része eszközszintű, míg mások néhány innovatív technológiát alkalmaznak, például borítékkövetést, digitális előtorzító / címerfaktor-csökkentő sémákat, valamint olyan erősítők használatát, amelyek fejlettebbek, mint a közös AB osztályú szintek.
Jelentős változás az erősítő kialakításában a Doherty architektúra, amely 5 éven belül a bázisállomás erősítők szabványává vált. Amióta Dr. Doherty a Bell Laboratories-ból (amely aztán a Westinghouse Electric részévé vált) 1936-ban feltalálta ezt az architektúrát, a legtöbb idő óta hallgat, és csak néhány alkalmazásban használták.
Doherty kutatása új erősítőszerkezetet hozott létre, amely rendkívül nagy hozzáadott teljesítmény-hatékonyságot tud biztosítani, ha a bemeneti jelnek nagyon magas a csúcs / átlagos aránya (PAR). Valójában, ha megfelelően megtervezzük, a Doherty erősítők hatékonysága 11–14% -kal növelhető a szokásos AB párhuzamos osztályú erősítőkhöz képest.
Természetesen 1936 után sok évig csak néhány jeltípusnak van ilyen jellemzője, például AM és FM, amelyek modulációs sémákat alkalmaznak a kommunikációs rendszerekben. Jelenleg szinte minden vezeték nélküli rendszer magas PAR jeleket generál, a WCDMA-tól a CDMA2000-ig, bármely olyan rendszerig, amely ortogonális frekvenciaosztásos multiplexelést (OFDM) használ, mint például a WiMAX, LTE és újabban a Wi-Fi.
2. ábra: Tipikus Doherty erősítő
A klasszikus Doherty erősítő (2. ábra), amely terhelésmodulációs architektúrának minősíthető, valójában két erősítőből áll: egy vivőerősítőből, amely előfeszítetten működik az AB osztályú üzemmódban, és egy csúcserősítőből, amely előfeszített a C osztályú módba. Teljesítményosztó osztja a bemeneti jelet egyenlően minden erősítőhöz, 90 ° -os fáziskülönbséggel. Az erősítést követően a jelet újból szintetizálják a tápcsatlakozón keresztül. A két erősítő egyszerre működik, amikor a bemeneti jel a csúcson van, és mindegyik terhelési impedanciaként viselkedik a kimeneti teljesítmény maximalizálása érdekében.
A bemeneti jel teljesítményének csökkenésével azonban a C osztályú csúcserősítő kikapcsol, és továbbra is csak az AB osztályú vevőerősítő működik. Alacsonyabb teljesítményszinteken az AB osztályú vevőerősítő modulált terhelési impedanciaként viselkedik a hatékonyság és az erősítés javítása érdekében. Az építészet megújult vitalitásával a Doherty erősítő kialakítása jelentős előrehaladást ért el a gyors ismétlésekben, és nagy sikereket ért el.
Természetesen egyetlen építészet sem tökéletes. A Doherty erősítő linearitása és kimenő teljesítménye valamivel rosszabb, mint a kettős osztályú AB erősítő. Ez egy másik fontos áramkört hoz elénk, amely nélkülözhetetlen választássá vált a mai kommunikációs környezetben: az analóg és a digitális linearizációs technológiát. Ennek a technológiának a legelterjedtebb módja a digitális előtorzítás (DPD), néha a címerfaktor csökkentésével (CFR) kombinálva. A DPD és a CFR egyaránt nagymértékben csökkentheti Doherty torzulásait, az eszközök és az erősítők körültekintő kialakítása pedig minimalizálhatja a linearitásveszteséget. Ezeket azonban nem határozták meg szigorúan a Doherty erősítőkben történő használatra, és hatásuk egészen nyilvánvaló, ha más erősítőszerkezetekben alkalmazzák őket.
1. Javítsa a linearitást
A modern digitális modulációs technológia megköveteli, hogy az erősítő linearitása kellően magas legyen, különben intermodulációs torzítás lép fel, és csökken a jel minősége. Sajnos, amikor az erősítők a legjobb teljesítményt nyújtják, mind közel vannak a telítettségi szintjükhöz. Később nemlineárisakká válnak, az RF teljesítmény kimenete csökken a bemeneti teljesítmény növekedésével, és jelentős torzulások kezdenek megjelenni. Ez a torzulás áthallást okozhat a szomszédos csatornák vagy szolgáltatások között. Ennek eredményeként a tervezők általában visszavetik az RF kimeneti energiát egy "biztonságos zónába" a linearitás biztosítása érdekében. Amikor ezt megteszik, több RF tranzisztorra van szükség egy adott RF kimenő teljesítmény eléréséhez, ami növeli az áramfogyasztást és rövidebb akkumulátor-élettartamot vagy magasabb működési költségeket eredményez a bázisállomásokon.
A DPD hatékonyan "torzításgátlót" vezet be az erősítő bemenetén, kiküszöbölve az erősítő nemlinearitását. Ennek eredményeként az erősítőnek nem kell visszaesnie az optimális működési ponthoz, és így nincs szükség többé rádiófrekvenciás eszközökre. Amint az erősítők hatékonyabbá válnak, az előnyök a csökkent hűtési költségek és az összes fontos energiafogyasztás. Amikor a CFR működik, a torzítást folyamatosan ellenőrzik a bemeneti jel csúcs / átlagos arányának csökkentésével. Ez a módszer csökkenti a jel csúcsértékét, hogy a jel ne okozzon vágást vagy torzulást az erősítőn való áthaladáskor. Ha a DPD-t és a CFR-t együtt alkalmazzák, nagyobb nyereség érhető el.
2. Fázison kívüli erősítő módszer
Egy másik technológia egy szabadalmaztatott technológia, amelyet Henri Chireix talált ki és tartott közel 80 évvel ezelőtt. Általában "kiemelésnek" nevezik (a teljesítményerősítő kiemelése, a terhelés modulációs technológiák családjának tagja). Jelenleg a Fujitsu, az NXP stb. Használja az erősítő hatékonyságának javítása érdekében. Két nemlineáris RF erősítőt egyesít, amelyeket különböző fázisú jelek vezérelnek. Mivel a fázis vezérelt, a kimeneti jel összekapcsolásakor a B osztályú RF erősítők használata hatékonyságnövelést érhet el. A gondos tervezési technikák, különösen a megfelelő reaktancia kiválasztása, optimalizálhatják a rendszert egy adott kimeneti amplitúdóra, ami kétszeresen növeli a hatékonyságot (legalábbis elméletben).
A Fujitsu tavaly jelentette be, hogy egy bizonyos teljesítményerősítőben átvette a hangsúlyozás módját, beépítve egy kompakt, kis veszteségű teljesítménykapcsoló áramkört és egy DSP-alapú fázishiba-korrekciós áramkört, amely a közös átviteli idő 65% -a. meglévő erősítők. , Az erősítő átviteli ideje meghaladhatja a 95% -ot. A tervezés teszteléséhez ezen erősítő csúcsteljesítménye elérheti a 100 wattot; az átlagos elektromos hatásfok 50% -ról 70% -ra nő.
A bemeneti jel két jelre oszlik, állandó amplitúdójú és fázisváltozással. Az amplitúdót az RF tápegység szerint állítják be, és az áramkapcsoló áramkör rekonstruálja a forrásjel hullámformáját. Korábban, amikor a forrásjelet rekonstruálták, a csatolási pontosság elvesztéséhez szükséges volt a fáziskülönbség meghatározása, ami megakadályozta ennek a technológiának a forgalmazását. A Fujitsu által használt csatoló rövidebb jelúttal rendelkezik, ami csökkenti a veszteséget és növeli a sávszélességet.
3. Az NXP ígéretes fejlődése
A terhelésmodulációs effektussal nem rendelkező Outphasing mechanizmus egy változatát a nemlineáris koncepció lineáris erősítőjének (LINC) hívják, amely külön csatoló és erősítő fokozatot használ a telítettség eléréséhez, és hatékonyan javíthatja a linearitást és a csúcshatékonyságot. A LINC erősítők hatékonysága azonban viszonylag alacsony, mert mindegyik erősítő állandó teljesítményen működik, még alacsony RF kimeneti szinteken is. Chireix ezt úgy korrigálta, hogy az átlagos hatékonyság növelése érdekében a kihangsúlyozást elválasztott tengelykapcsolóval és a terhelés modulációjával kombinálta. Az NXP Semiconductors további fejlesztést hajtott végre, két hangsúlyos vezérléssel két kapcsoló üzemmódú RF erősítőt vezérelt, hogy azokat a csúcstényező jelekhez igazítsa. A vállalat a Chireixoutphasing technológiát a GaN HEMT kapcsoló E osztályú erősítőkkel ötvözi (3. ábra).
3. ábra: Egyszerűsített Chireix fázison kívüli teljesítményerősítő blokkdiagram
Az NXP által kifejlesztett és szabadalmaztatott új meghajtó technológia lehetővé teszi az erősítő számára, hogy a fáziskapcsolat vezérlésével nagy hatékonyságot érjen el körülbelül 25% -os sávszélesség mellett. Ez egy új architektúrához vezetett, amely az E osztályú erősítőket és a terhelés modulációt ötvözi az erősítők magas hatékonyságának fenntartása érdekében, amikor kilépnek a telítettségből, ami lehetővé teszi számukra a különböző komplex hullámalakokhoz való alkalmazkodást. Az NXP referenciatervet adott az Ga-eszközökre épülő E-osztályú RF erősítőhöz, és csatolta a Chireix-hez kapcsolódó műszaki információkat.
4. Borítékkövetés
Egy másik kulcsfontosságú technológia, amelyre az erősítők tervezői figyelnek, a borítékkövetés. Ebben a technológiában az erősítőre alkalmazott feszültséget folyamatosan állítják be annak biztosítása érdekében, hogy a csúcs régióban működjön a teljesítmény maximalizálása érdekében. A DC-DC átalakító által a tipikus teljesítményerősítő kivitelben biztosított fix feszültséggel összehasonlítva a burkolókövető tápegység az erősítőhöz csatlakoztatott tápegységet nagy sávszélességű, alacsony zajszintű hullámformával modulálja, amelyet szinkronizálnak a pillanatnyi burkolattal jel.
A borítékkövetési technológia alkalmazása a CMOS RF tápegységekben jelentős vonzerővel bír. Nujira sok éve fejlesztette ezt a technológiát. Megmutatták, hogy ez a technológia képes kiküszöbölni azokat a hiányosságokat, amelyeket a CMOS RF erősítő alkalmazások nem-linearitása okoz. A CMOS teljesítményerősítőket kritikának tekintették, mivel rossz választás a jelenlegi magas PAR modulációs technológia számára, mivel a bennük rejlő gyenge linearitás miatt a torzítás csökkentése érdekében vissza kell esniük. Ha a CMOS erősítőket magasabb RF teljesítményszinteken működtetik, akkor nyírás és torzulás következik be.
A Nujira azonban a szabadalmaztatott ISOGAIN linearizációs technológiát a saját borítékkövetési technológiájával kombinálja, hogy a DPD használata nélkül kiküszöbölje a linearitási problémákat. Az e technológiát használó berendezések elérték a magas hatékonyság célját, és más szempontból ugyanazt a teljesítményt érték el, mint a GaAs. A CMOS-erősítőkkel kapcsolatos összes kutatás hatalmas előnye, hogy a CMOS-eszközök az egész elektronikai iparban mindenütt jelen vannak, sok öntöde támogatja őket, tehát viszonylag olcsóak. Mivel szilícium alapú, a vezérlő és előfeszítő áramkörök közvetlenül is integrálhatók az erősítő chipre.
5. Egyéb teljesen különböző módszerek
Egy másik erősítőtechnológiát támogatott az Eta Devices, a Massachusettsi Műszaki Intézettől elszakadt cég, amelyet két villamosmérnöki professzor, Joel Dawson és David Perreault, valamint az Ericsson és a Huawei egykori erősítőkutatója társalapított. Asymmetric Multi-Level Outphasing (AMO) technológiáját az MIT fejlesztette ki, amelyet az ADI társalapítója, Ray Stata és kockázatitőke-társasága, a Stata Venture Partners közösen fektetett be.
A társaság elsődleges célja a feltörekvő piacok, köztük 640,000 15 dízelgenerátoros erőművi bázisállomás, amelyek üzemanyagként évi 5 milliárd dollárba kerülnek, majd az okostelefonok piaca következik. Idén februárban az Eta Devices bemutatta Eta80 berendezését a spanyolországi barcelonai mobil kommunikációs világkongresszus Advanced LTE szekciójában. A berendezés átviteli csatornája meghaladja a XNUMX MHz-et.
Az Eta Devices bátran kijelentette, hogy az ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) technológiája várhatóan 50% -kal csökkenti a bázisállomás energiaköltségeit. Azt is állítja, hogy megduplázhatja az okostelefonok akkumulátorának élettartamát. Az előfeltétel az, hogy az erősítő rádiófrekvenciás tranzisztora készenléti és átviteli üzemmódban egyidejűleg fogyasztja az energiafogyasztást, és a hatékonyság javításának egyetlen módja a készenléti teljesítmény lehető legalacsonyabb szintre történő csökkentése.
Az alacsony energiafogyasztású készenléti üzemmód és a nagy teljesítmény kimenet közötti váltás torzulást okoz. A meglévő rendszereknek magas készenléti teljesítményszintet kell fenntartaniuk annak érdekében, hogy folyamatosan észleljék ezt az állapotot, nagy energiafogyasztás árán. Az Eta Devices megközelítése az, hogy a tranzisztoron a legkevesebb energiafogyasztást fogyasztó feszültséget válassza ki másodpercenként akár 20 millió alkalommal történő mintavétellel.
További probléma, hogy a vállalat elmagyarázta, hogy az LTE Advanced és a 100 MHz sávszélesség követelményei óriási igényt teremtenek az RF teljesítményerősítők iránt. A borítékkövetés önmagában nem képes alkalmazkodni ehhez a helyzethez, mert nem tudja támogatni a 40Mhz-nél szélesebb csatornákat. A cég szerint az ETAdvanced 160 MHz-ig terjedő csatornákat támogat, így képes megfelelni az LTE-Advanced és a 802.11ac Wi-Fi-nek is. A technológiáját használó bázisállomások nagyon kicsiek lehetnek, és a vállalat azt állítja, hogy kifejlesztette az első LTE adót, amelynek átlagos hatékonysága meghaladja a 70% -ot.
6. összefoglalás
Ha teljes körűen leírja az RF energiahatékonyságának javítása érdekében végzett jelenlegi munkát, írhat egy nagy könyvet. Ezek a tartalmak nem korlátozódnak az ebben a cikkben tárgyalt körre, hanem különböző típusú erősítők és támogató technológiák alkalmazását is tartalmazzák. E technológiák kombinációja érdemi eredményeket hozhat. Nem számít, mennyi előrelépés történt, az biztos, hogy mindaddig, amíg továbbra is fennáll az igény a nagyobb adatsebességre, a nagyobb hatékonyságra való törekvés folytatódik.
Másik termék:
