RF güç amplifikatörünün verimliliği nasıl artırılır?

Termodinamiğin temel yasaları, hiçbir elektronik ekipmanın% 100 verime ulaşamayacağını ortaya koymaktadır - güç kaynaklarının değiştirilmesi nispeten yakındır (% 98'e kadar). Ne yazık ki, RF gücü üreten herhangi bir cihaz şu anda ideal performansa ulaşamıyor veya yaklaşamıyor, çünkü DC gücünü RF ürün gücüne dönüştürme sürecinde, tüm sinyal yolu iletiminin neden olduğu kayıp dahil olmak üzere çok fazla kusur var. çalışma frekansı Zaman kaybı ve cihazın doğal karakteristik kaybı. Sonuç olarak, MIT Technology Review dergisindeki bir makale, RF güç amplifikatörü hakkında "Bu çok verimsiz bir donanım" yorumunu yaptı.

Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, yarı iletkenlerden amplifikatörlere, vericilere, üniversitelere ve Savunma Bakanlığı'na kadar RF güç ürünü üreticilerinin her yönü, RF güç cihazlarının verimliliğini artırmak için her yıl çok fazla zaman ve mali kaynak harcar. Bunun için iyi nedenler var: Verimlilikteki küçük bir artış bile pille çalışan ürünlerin çalışma süresini uzatabilir ve kablosuz baz istasyonlarının yıllık güç tüketimini azaltabilir. Şekil 1, RF bölümünün baz istasyonunun genel güç tüketimine oranını göstermektedir.

Şekil 1: Baz istasyonunun güç tüketimine çeşitli radyo frekansı ürünlerinin ilgili kısımlarının eklenmesi ile nihai sonuç oldukça büyük olacaktır.

Neyse ki, RF verimliliğini artırmak için yıllarca süren sürekli çabalardan sonra, bu koşullar yavaş yavaş değişiyor. Bu görevlerden bazıları cihaz düzeyindedir, diğerleri ise zarf izleme, dijital ön bozulma / tepe faktör azaltma şemaları ve ortak sınıf AB seviyelerinden daha gelişmiş amplifikatörlerin kullanımı gibi bazı yenilikçi teknolojileri kullanır.

Amplifikatör tasarımında önemli bir değişiklik, 5 yıl içinde baz istasyonu amplifikatörleri için standart haline gelen Doherty mimarisidir. Bell Laboratories'den Dr. Doherty (daha sonra Westinghouse Electric'in bir parçası haline geldi) 1936'da bu mimariyi icat ettiğinden beri, çoğu zaman sessiz kaldı ve sadece birkaç uygulamada kullanıldı.

Doherty'nin araştırması, giriş sinyali çok yüksek bir tepe / ortalama oranına (PAR) sahip olduğunda son derece yüksek güç katma verimliliği sağlayabilen yeni bir amplifikatör yapısı yarattı. Aslında, uygun şekilde tasarlanırsa, Doherty amplifikatörlerinin verimliliği, standart paralel sınıf AB amplifikatörlerine kıyasla% 11 ila% 14 oranında artırılabilir.

Elbette, 1936'dan sonraki uzun yıllar boyunca, iletişim sistemlerinde modülasyon şemaları kullanan AM ve FM gibi sadece birkaç sinyal türü bu özelliklere sahiptir. Şu anda, hemen hemen her kablosuz sistem, WCDMA'dan CDMA2000'e, WiMAX, LTE ve son zamanlarda Wi-Fi gibi ortogonal frekans bölmeli çoklama (OFDM) kullanan herhangi bir sisteme kadar yüksek PAR sinyalleri üretir.

Şekil 2: Tipik bir Doherty amplifikatörü

Bir yük modülasyon mimarisi olarak sınıflandırılabilecek klasik Doherty amplifikatörü (Şekil 2), aslında iki amplifikatörden oluşur: AB sınıfı modunda çalışmaya meyilli bir taşıyıcı amplifikatör ve C sınıfı moduna eğilimli bir tepe amplifikatörü. Güç bölücü, giriş sinyalini 90 ° faz farkıyla her amplifikatöre eşit olarak böler. Amplifikasyondan sonra sinyal, güç kuplörü aracılığıyla yeniden sentezlenir. İki amplifikatör, giriş sinyali zirvede olduğunda aynı anda çalışır ve her biri çıkış gücünü maksimize etmek için bir yük empedansı olarak davranır.

Bununla birlikte, giriş sinyali gücü düştüğünde, C Sınıfı tepe amplifikatörü kapatılır ve yalnızca Sınıf AB taşıyıcı amplifikatör çalışmaya devam eder. Daha düşük güç seviyelerinde, AB Sınıfı taşıyıcı amplifikatör, verimliliği ve kazancı artırmak için modüle edilmiş bir yük empedansı gibi davranır. Mimarinin yenilenen canlılığı ile Doherty amplifikatör tasarımı, hızlı yinelemelerde önemli ilerleme kaydetti ve büyük başarılar elde etti.

Elbette hiçbir mimari mükemmel değildir. Doherty amplifikatörün doğrusallığı ve çıkış gücü, ikili sınıf AB amplifikatöründen biraz daha kötüdür. Bu bize günümüz iletişim ortamında vazgeçilmez bir seçenek haline gelen başka bir önemli devreyi getiriyor: analog ve dijital doğrusallaştırma teknolojisi. Bu teknolojinin en yaygın olarak kullanılanı dijital predistortion (DPD) olup, bazen tepe faktörü azaltma (CFR) ile birleştirilir. Hem DPD hem de CFR, Doherty'nin bozulmasını büyük ölçüde azaltabilir ve dikkatli cihaz ve amplifikatör tasarımı, doğrusallık kaybını en aza indirebilir. Bununla birlikte, Doherty amplifikatörlerinde kullanım için kesin olarak tanımlanmamıştır ve etkileri, diğer amplifikatör yapılarında kullanıldıklarında oldukça açıktır.

1. Doğrusallığı geliştirin

Modern dijital modülasyon teknolojisi, amplifikatörün doğrusallığının yeterince yüksek olmasını gerektirir, aksi takdirde intermodülasyon distorsiyonu meydana gelir ve sinyal kalitesi azalır. Ne yazık ki, amplifikatörler en iyi performans gösterdiğinde, hepsi doygunluk seviyelerine yakındır. Daha sonra doğrusal olmazlar, giriş gücü arttıkça RF güç çıkışı düşer ve önemli bozulmalar görülmeye başlar. Bu bozulma, bitişik kanallar veya hizmetler arasında parazite neden olabilir. Sonuç olarak, tasarımcılar doğrusallığı sağlamak için genellikle RF çıkış gücünü "güvenli bölgeye" geri çekerler. Bunu yaptıklarında, belirli bir RF çıkış gücüne ulaşmak için birden fazla RF transistörü gereklidir, bu da akım tüketimini artıracak ve baz istasyonlarında daha kısa pil ömrü veya daha yüksek işletme maliyetleri ile sonuçlanacaktır.

DPD, amplifikatörün doğrusal olmayışını ortadan kaldırarak, amplifikatörün girişine etkili bir şekilde "bozulmayı önleme" özelliğini ekler. Sonuç olarak, amplifikatörün optimum çalışma noktasına geri dönmesi gerekmez ve bu nedenle artık RF güç cihazlarına gerek kalmaz. Amplifikatörler daha verimli hale geldikçe faydaları, soğutma maliyetlerinin azalması ve tüm önemli güç tüketimidir. CFR çalışırken, giriş sinyalinin tepe / ortalama oranını düşürerek bozulma sürekli olarak kontrol edilir. Bu yöntem, sinyalin amplifikatörden geçerken kırpılmaya veya bozulmaya neden olmaması için sinyalin tepe değerini azaltır. DPD ve CFR birlikte kullanıldığında, daha büyük kazanç elde edilebilir.
2. Faz dışı güç amplifikatörü yöntemi

Diğer bir teknoloji ise, Henri Chireix tarafından yaklaşık 80 yıl önce icat edilen ve sahip olunan patentli bir teknolojidir. Genellikle "faz aşımı" olarak adlandırılır (aşırı fazlı güç amplifikatörü, yük modülasyon teknolojisi ailesinin bir üyesi). Şu anda Fujitsu, NXP, vb. Tarafından kullanılmaktadır. Amplifikatör verimliliğini artırmak için. Farklı fazların sinyalleri tarafından tahrik edilen iki doğrusal olmayan RF güç amplifikatörünü birleştirir. Faz kontrol edildiğinden, çıkış sinyali bağlandığında Sınıf B RF güç amplifikatörlerinin kullanımı verimlilik kazanımları sağlayabilir. Dikkatli tasarım teknikleri, özellikle uygun reaktansın seçilmesi, sistemi belirli bir çıktı genliğine optimize edebilir, bu da iki kat verimlilik artışı sağlar (en azından teoride).

Fujitsu geçen yıl, belirli bir güç amplifikatöründe aşırı fazlama yöntemini benimsediğini, kompakt, düşük kayıplı bir güç bağlantı devresini entegre ettiğini ve aynı iletim süresinin% 65'i olan DSP tabanlı bir faz hatası düzeltme telafisi devresini kullandığını duyurdu. mevcut amplifikatörler. , Amplifikatörün iletim süresi% 95'i aşabilir. Tasarımı test etmek için, bu güç amplifikatörünün tepe çıkışı 100 watt'a ulaşabilir; ortalama elektrik verimliliği% 50'den% 70'e çıkarılır.

Giriş sinyali, sabit genlik ve faz değişiklikleri ile iki sinyale bölünmüştür. Genlik, RF güç cihazına göre ayarlanır ve güç bağlantı devresi, kaynak sinyali dalga biçimini yeniden oluşturur. Önceden, kaynak sinyali yeniden yapılandırıldığında, bu teknolojinin ticarileşmesini engelleyen faz farkını belirlemek için bağlantı doğruluğunun kaybı gerekliydi. Fujitsu tarafından kullanılan kuplör, kaybı azaltan ve bant genişliğini artıran daha kısa bir sinyal yoluna sahiptir.

3. NXP'nin umut verici gelişimi

Yük modülasyonu etkisi olmayan Outphasing mekanizmasının bir varyantı, doygunluğa ulaşmak için ayrı bir bağlayıcı ve amplifikatör aşaması kullanan ve doğrusallığı ve tepe verimliliğini etkili bir şekilde artırabilen Doğrusal Olmayan Konseptin Doğrusal Yükselticisi (LINC) olarak adlandırılır. Bununla birlikte, LINC amplifikatörlerinin verimliliği nispeten düşüktür, çünkü her amplifikatör, düşük RF çıkış seviyelerinde bile sabit bir güçte çalışır. Chireix, ortalama verimliliği artırmak için, faz aşımını ayrılmamış bir bağlayıcı ve yük modülasyonu ile birleştirerek bunu düzeltti. NXP Semiconductors, yüksek tepe faktörü sinyallerine adapte etmek için iki anahtar modlu RF amplifikatörünü kontrol etmek için dış fazlamayı kullanarak daha fazla iyileştirme yaptı. Şirket, Chireixoutphasing teknolojisini GaN HEMT anahtarlama Sınıf E amplifikatörlerle birleştiriyor (Şekil 3).

Şekil 3: Basitleştirilmiş Chireix faz dışı güç amplifikatörü blok şeması

NXP tarafından geliştirilen ve patenti alınan yeni sürücü teknolojisi, amplifikatörün faz ilişkisini kontrol ederek yaklaşık% 25'lik bir bant genişliği üzerinden yüksek verimlilik elde etmesini sağlar. Bu, amplifikatörlerin doygunluktan çıktıklarında yüksek verimliliğini korumak için E Sınıfı amplifikatörleri ve yük modülasyonunu birleştiren yeni bir mimariye yol açtı ve bu da onların çeşitli karmaşık dalga formlarına uyum sağlamalarına izin verdi. NXP, GaN cihazlarına dayalı E sınıfı RF güç amplifikatörü için bir referans tasarım sağladı ve Chireix ile ilgili teknik bilgileri ekledi.

4. Zarf takibi

Amplifikatör tasarımcılarının dikkat ettiği bir diğer önemli teknoloji de zarf izleme. Bu teknolojide, güç amplifikatörüne uygulanan voltaj, gücü en üst düzeye çıkarmak için tepe bölgede çalışmasını sağlamak için sürekli olarak ayarlanır. Tipik bir güç amplifikatörü tasarımında DC-DC dönüştürücü tarafından sağlanan sabit voltajla karşılaştırıldığında, zarf izleme güç kaynağı, amplifikatöre bağlı güç kaynağını yüksek bant genişliğine sahip, düşük gürültülü bir dalga biçimiyle modüle eder ve bu, anlık zarfla senkronize edilir. sinyal.

CMOS RF güç cihazlarında zarf izleme teknolojisinin kullanımı oldukça çekicidir. Nujira bu teknolojiyi yıllardır geliştirmektedir. Bu teknolojinin CMOS RF amplifikatör uygulamalarındaki doğrusal olmayanlıkların neden olduğu eksikliklerin üstesinden gelebileceğini gösterdiler. CMOS güç amplifikatörleri, doğal zayıf doğrusallıkları nedeniyle mevcut yüksek PAR modülasyon teknolojisi için kötü bir seçim olarak eleştirildi, bu da distorsiyonu azaltmak için geri çekilmelerini gerektiriyor. CMOS amplifikatörleri daha yüksek RF güç seviyelerinde çalıştırıldığında, kırpılma ve distorsiyon meydana gelecektir.

Bununla birlikte Nujira, DPD kullanmadan doğrusallık sorunlarını ortadan kaldırmak için patentli ISOGAIN doğrusallaştırma teknolojisini tescilli zarf izleme teknolojisinde birleştirir. Bu teknolojiyi kullanan ekipman, yüksek verimlilik hedefine ulaşmış ve diğer yönlerden GaAs ile aynı performansı elde etmiştir. CMOS amplifikatörleri üzerine yapılan tüm araştırmaların büyük bir yararı, CMOS cihazlarının birçok dökümhane tarafından desteklenen tüm elektronik endüstrisinde her yerde bulunması ve dolayısıyla nispeten ucuz olmalarıdır. Silikon esaslı olduğu için, güç amplifikatörü çipine kontrol ve öngerilim devrelerini doğrudan entegre etmek de mümkündür.

5. Diğer tamamen farklı yöntemler

Başka bir amplifikatör teknolojisi, Massachusetts Institute of Technology'den ayrılan bir şirket olan Eta Devices tarafından savunuldu ve iki elektrik mühendisliği profesörü Joel Dawson ve David Perreault ile Ericsson ve Huawei'den eski bir amplifikatör araştırmacısı tarafından kuruldu. Asymmetric Multi-Level Outphasing (AMO) teknolojisi, ADI kurucu ortağı Ray Stata ve risk sermayesi şirketi Stata Venture Partners tarafından ortaklaşa yatırım yapılan MIT tarafından geliştirilmiştir.

Şirketin birincil hedefi, yakıt açısından yılda 640,000 milyar ABD dolarına mal olan 15 kadar dizel jeneratör güç baz istasyonu ve ardından akıllı telefon pazarı gibi gelişmekte olan pazarlar. Bu yılın Şubat ayında, Eta Devices, İspanya'nın Barselona kentinde düzenlenen Mobil İletişim Dünya Kongresi'nin Gelişmiş LTE bölümünde Eta5 ekipmanını sergiledi. Ekipmanın iletim kanalı 80 MHz'i aşıyor.

Eta Devices, ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) teknolojisinin baz istasyonu enerji maliyetlerini% 50 azaltmasının beklendiğini cesurca açıkladı. Ayrıca akıllı telefonların pil ömrünü ikiye katlayabileceğini iddia ediyor. Buradaki öncül, amplifikatörün RF güç transistörünün, bekleme modunda ve iletim modunda aynı anda güç tüketmesi ve verimliliği artırmanın tek yolunun, bekleme gücünü mümkün olan en düşük seviyeye düşürmesidir.
Düşük güç tüketimi bekleme modu ile yüksek güç çıkışı arasında geçiş yapmak distorsiyona neden olacaktır. Mevcut sistemlerin, yüksek güç tüketimi pahasına, bu durumu sürekli olarak tespit edebilmesi için yüksek bir bekleme güç seviyesini sürdürmesi gerekir. Eta Devices'ın yaklaşımı, saniyede 20 milyon kereye kadar örnekleme yaparak transistör boyunca en düşük güç tüketimini tüketen voltajı seçmektir.

Diğer bir sorun, şirketin LTE Advanced ve 100 MHz bant genişliği gereksinimlerinin RF güç amplifikatörleri için büyük talep yaratacağını açıklamasıdır. Zarf izleme tek başına bu duruma uyum sağlayamaz, çünkü 40Mhz'den daha geniş kanalları destekleyemez. Şirkete göre ETAdvanced, 160 MHz'e kadar olan kanalları desteklediğinden hem LTE-Advanced hem de 802.11ac Wi-Fi ile buluşabilir. Kendi teknolojisini kullanan baz istasyonları çok küçük olabilir ve şirket, ortalama% 70'in üzerinde bir verimlilikle ilk LTE vericisini geliştirdiğini iddia ediyor.

6. Özet

RF güç verimliliğini artırmak için yapılan mevcut çalışmayı tam olarak anlatırsanız, büyük bir kitap yazabilirsiniz. Bu içerikler, bu makalede tartışılan kapsamla sınırlı değildir, aynı zamanda farklı amplifikatör türlerinin ve destekleyici teknolojilerin kullanımını da içerir. Bu teknolojilerin kombinasyonu anlamlı sonuçlar üretebilir. Ne kadar ilerleme kaydedilmiş olursa olsun, daha yüksek veri hızlarına yönelik talep devam ettiği sürece, daha yüksek verimlilik arayışının devam edeceği kesindir.