Si të përmirësojmë efikasitetin e amplifikatorit të energjisë RF?

Ligjet themelore të termodinamikës zbulojnë se asnjë pajisje elektronike nuk mund të arrijë efikasitet 100% - megjithëse furnizimet e energjisë me kalim janë relativisht afër (deri në 98%). Fatkeqësisht, çdo pajisje që gjeneron energji RF aktualisht nuk është në gjendje të arrijë ose afër performancës ideale, sepse ka shumë defekte në procesin e konvertimit të energjisë DC në fuqinë e produktit RF, duke përfshirë humbjen e shkaktuar nga i gjithë transmetimi i rrugës së sinjalit, në frekuenca e funksionimit Humbja e kohës, dhe humbja karakteristike e qenësishme e pajisjes. Si rezultat, një artikull në MIT Technology Review në mënyrë jozyrtare komentoi në përforcuesin e energjisë RF: "isshtë një pajisje shumë joefikase".

Nuk është për t'u habitur, çdo aspekt i prodhuesve të produkteve të energjisë RF, nga gjysmëpërçuesit te përforcuesit te transmetuesit, si dhe universitetet dhe Departamenti i Mbrojtjes, shpenzojnë shumë kohë dhe burime financiare çdo vit për të përmirësuar efikasitetin e pajisjeve të energjisë RF. Ka arsye të mira për këtë: edhe një rritje e lehtë e efikasitetit mund të zgjasë kohën e punës së produkteve me bateri dhe të zvogëlojë konsumin vjetor të energjisë të stacioneve bazë pa tel. Figura 1 tregon përpjesëtimin e pjesës RF me konsumin e përgjithshëm të energjisë në stacionin bazë.

Figura 1: Shtimi i pjesëve përkatëse të produkteve të ndryshme të frekuencës radio në konsumin e energjisë në stacionin bazë, rezultati përfundimtar do të jetë mjaft i madh.

Për fat të mirë, pas viteve të përpjekjeve të vazhdueshme për të përmirësuar efikasitetin RF, këto kushte po ndryshojnë gradualisht. Disa nga këto detyra janë në nivelin e pajisjes, ndërsa të tjerët përdorin disa teknologji inovative, të tilla si gjurmimi i zarfit, skemat dixhitale të predistortionit / zvogëlimit të faktorit kreshtë dhe përdorimi i amplifikatorëve që janë më të përparuar se nivelet e zakonshme të AB.

Një ndryshim i madh në projektin e amplifikatorit është arkitektura Doherty, e cila është bërë standard për amplifikatorët e stacioneve bazë brenda 5 viteve. Që kur Dr. Doherty nga Bell Laboratories (i cili më pas u bë pjesë e Westinghouse Electric) shpiku këtë arkitekturë në 1936, ajo ka qenë e heshtur për shumicën e kohës dhe është përdorur vetëm në disa aplikime.

Hulumtimi i Doherty ka krijuar një strukturë të re amplifikatori që mund të sigurojë efikasitet tepër të lartë të shtuar të energjisë kur sinjali i hyrjes ka një raport shumë të lartë mes-mesatare (PAR). Në fakt, nëse projektohet siç duhet, efikasiteti i amplifikatorëve Doherty mund të rritet me 11% në 14% krahasuar me amplifikatorët standardë të klasës paralele AB.

Sigurisht, për shumë vite pas vitit 1936, vetëm disa lloje të sinjaleve kanë këto karakteristika, të tilla si AM dhe FM, të cilat përdorin skema modulimi në sistemet e komunikimit. Aktualisht, pothuajse çdo sistem pa tel gjeneron sinjale të larta PAR, nga WCDMA në CDMA2000 te çdo sistem që përdor multipleksimin ortogonal të ndarjes së frekuencës (OFDM), të tilla si WiMAX, LTE dhe së fundmi, Wi-Fi.

Figura 2: Një amplifikator tipik Doherty

Përforcuesi klasik Doherty (Figura 2), i cili mund të klasifikohet si një arkitekturë e modulimit të ngarkesës, në të vërtetë përbëhet nga dy amplifikatorë: një amplifikator bartës i njëanshëm për të funksionuar në modalitetin e klasës AB, dhe një amplifikator kulmi i njëanshëm në mënyrën e klasës C. Një ndarës i energjisë ndan sinjalin e hyrjes në mënyrë të barabartë për secilin amplifikator me një ndryshim të fazës 90 °. Pas amplifikimit, sinjali ri-sintetizohet përmes bashkuesit të energjisë. Dy amplifikatorët funksionojnë në të njëjtën kohë kur sinjali i hyrjes është në kulmin e tij, dhe secili sillet si një rezistencë e plotë e ngarkesës për të maksimizuar fuqinë e daljes.

Sidoqoftë, ndërsa fuqia e sinjalit hyrës bie, përforcuesi i pikut të Klasës C është i fikur, dhe vetëm amplifikatori i bartësit të Klasës AB ende punon. Në nivele më të ulëta të fuqisë, përforcuesi i bartësit të Klasës AB sillet si një rezistencë e plotë e ngarkesës së moduluar për të përmirësuar efikasitetin dhe përfitimin. Me gjallërinë e përtërirë të arkitekturës, modeli i amplifikatorit Doherty ka bërë përparim të rëndësishëm në përsëritjet e shpejta dhe ka arritur sukses të madh.

Sigurisht, asnjë arkitekturë nuk është perfekte. Lineariteti dhe fuqia dalëse e amplifikatorit Doherty janë pak më të këqija sesa amplifikatori i klasit të dyfishtë. Kjo na sjell një qark tjetër të rëndësishëm që është bërë një zgjedhje e domosdoshme në mjedisin e sotëm të komunikimit: teknologjia e linearizimit analog dhe dixhital. Më e përdorur gjerësisht e kësaj teknologjie është predistorcioni dixhital (DPD), ndonjëherë i kombinuar me zvogëlimin e faktorit kreshtë (CFR). Si DPD ashtu edhe CFR mund të zvogëlojnë shumë shtrembërimin e Doherty-t, dhe dizenjimi i kujdesshëm i pajisjes dhe amplifikatorit mund të minimizojë humbjen e linearitetit. Sidoqoftë, ato nuk janë të përcaktuara në mënyrë rigoroze për përdorim në amplifikatorët Doherty, dhe efektet e tyre janë mjaft të dukshme kur përdoren në struktura të tjera të amplifikatorit.

1. Përmirësoni linearitetin

Teknologjia moderne e modulimit dixhital kërkon që lineariteti i amplifikatorit të jetë mjaft i lartë, përndryshe do të ndodhë shtrembërim i intermodulimit dhe cilësia e sinjalit do të ulet. Fatkeqësisht, kur amplifikatorët performojnë në mënyrën më të mirë, të gjithë janë afër niveleve të tyre të ngopjes. Më vonë, ato bëhen jo-lineare, prodhimi i energjisë RF bie kur rritet fuqia e hyrjes dhe fillojnë të shfaqen shtrembërime të konsiderueshme. Ky shtrembërim mund të shkaktojë ndërprerje midis kanaleve ose shërbimeve fqinje. Si rezultat, projektuesit zakonisht tërhiqen nga dalja e energjisë RF në një "zonë të sigurt" për të siguruar linearitetin. Kur e bëjnë këtë, transistorë të shumtë RF janë të nevojshëm për të arritur një fuqi të caktuar dalëse RF, e cila do të rrisë konsumin aktual dhe do të rezultojë në jetëgjatësi më të shkurtër të baterisë ose kosto më të larta të funksionimit në stacionet bazë.

DPD në mënyrë efektive paraqet "anti-shtrembërim" në hyrjen e amplifikatorit, duke eliminuar jolinearitetin e amplifikatorit. Si rezultat, amplifikatori nuk ka nevojë të bjerë përsëri në pikën optimale të funksionimit, dhe kështu nuk kërkohen më pajisje të energjisë RF. Ndërsa amplifikatorët bëhen më efikas, përfitimet janë ulja e kostove të ftohjes dhe e gjithë konsumi i rëndësishëm i energjisë. Kur CFR po punon, shtrembërimi kontrollohet vazhdimisht duke zvogëluar raportin pik-mesatar të sinjalit hyrës. Kjo metodë zvogëlon vlerën kulmore të sinjalit në mënyrë që sinjali të mos shkaktojë prerje ose shtrembërim kur kalon përmes amplifikatorit. Kur DPD dhe CFR përdoren së bashku, mund të arrihet fitim më i madh.
2. Metoda e përforcuesit të energjisë jashtë fazës

Një teknologji tjetër është një teknologji e patentuar e shpikur dhe e mbajtur nga Henri Chireix gati 80 vjet më parë. Zakonisht quhet "outphasing" (amplifikator fuqie outphasing, një anëtar i familjes së teknologjisë së modulimit të ngarkesës). Aktualisht përdoret nga Fujitsu, NXP, etj. Për të përmirësuar efikasitetin e amplifikatorit. Kombinon dy përforcues jo-linearë të energjisë RF, të cilët drejtohen nga sinjale të fazave të ndryshme. Për shkak se faza kontrollohet, kur bashkohet sinjali i daljes, përdorimi i amplifikatorëve të fuqisë RF të Klasës B mund të arrijë përfitime të efikasitetit. Teknikat e kujdesshme të projektimit, veçanërisht zgjedhja e reaktancës së përshtatshme, mund të optimizojnë sistemin në një amplitudë specifike të daljes, e cila do të sjellë dyfishin e rritjes së efikasitetit (të paktën në teori).

Fujitsu njoftoi vitin e kaluar se ka miratuar metodën e shtrirjes në një përforcues të caktuar të energjisë, duke integruar një qark bashkimi kompakt, me humbje të ulët të energjisë dhe me një qark kompensimi të korrigjimit të gabimit të fazës me bazë DSP, i cili është 65% e kohës së transmetimit të zakonshme për amplifikatorët ekzistues. , Koha e transmetimit të amplifikatorit mund të kalojë 95%. Për të testuar projektin, prodhimi maksimal i këtij amplifikatori të energjisë mund të arrijë 100 watts; efikasiteti mesatar elektrik është rritur nga 50% në 70%.

Sinjali hyrës ndahet në dy sinjale me amplituda konstante dhe ndryshime të fazës. Amplituda është vendosur në përputhje me pajisjen e energjisë RF, dhe qark bashkimi i energjisë rindërton formën e valës së sinjalit burimor. Më parë, kur sinjali burimor ishte rindërtuar, humbja e saktësisë së bashkimit nevojitej për të përcaktuar ndryshimin e fazës, e cila parandaloi komercializimin e kësaj teknologjie. Bashkuesi i përdorur nga Fujitsu ka një rrugë më të shkurtër sinjali, e cila zvogëlon humbjen dhe rrit bandën.

3. Zhvillimi premtues i NXP

Një variant i mekanizmit Outphasing pa efekt të modulimit të ngarkesës quhet Përforcues linear i konceptit jolinear (LINC), i cili përdor një fazë bashkuese dhe amplifikatori të veçantë për të çuar në ngopje dhe mund të përmirësojë në mënyrë efektive linearitetin dhe efikasitetin e pikut. Sidoqoftë, efikasiteti i amplifikatorëve LINC është relativisht i ulët, sepse secili amplifikator operon me një fuqi konstante, madje edhe në nivele të ulta të daljes RF. Chireix e korrigjoi këtë duke kombinuar outphasing me një bashkues jo të ndarë dhe modulimin e ngarkesës për të rritur efikasitetin mesatar. Gjysem perçuesit NXP ka bërë një përmirësim të mëtejshëm, duke përdorur tejkalimin për të kontrolluar dy përforcues RF me modalë kalimi për t'i përshtatur ato me sinjalet e larta të faktorit kreshtë. Kompania po kombinon teknologjinë Chireixoutphasing me amplifikatorët GaN HEMT të kalimit të Klasës E (Figura 3).

Figura 3: Diagrami i thjeshtuar Chireix i bllokut të përforcuesit të energjisë jashtë fazës

Teknologjia e re e drejtuesit e zhvilluar dhe patentuar nga NXP mundëson që amplifikatori të arrijë efikasitet të lartë mbi një gjerësi bande prej afërsisht 25% duke kontrolluar lidhjen fazore. Kjo ka çuar në një arkitekturë të re që kombinon amplifikatorët e Klasës E dhe modulimin e ngarkesës për të ruajtur efikasitetin e lartë të amplifikatorëve kur ata dalin nga ngopja, e cila u lejon atyre të përshtaten me forma të ndryshme komplekse të valëve. NXP siguroi një model referimi për amplifikatorin e fuqisë RF të klasës E bazuar në pajisjet GaN dhe bashkangjiti informacionin teknik të lidhur me Chireix.

4. Ndjekja e zarfit

Një tjetër teknologji kryesore, të cilës dizajnerët e amplifikatorëve i kushtojnë vëmendje është ndjekja e zarfit. Në këtë teknologji, voltazhi i aplikuar në amplifikatorin e energjisë rregullohet vazhdimisht për të siguruar që ai punon në rajonin e pikut për të maksimizuar fuqinë. Krahasuar me tensionin fiks të siguruar nga konverteri DC-DC në një model tipik të amplifikatorit të energjisë, furnizimi me energji gjurmimi i zarfit modulon furnizimin me energji të lidhur me amplifikatorin me një valë me bandë të lartë, me zhurmë të ulët, e cila sinkronizohet me zarfin e çastit sinjalit.

Përdorimi i teknologjisë së ndjekjes së zarfit në pajisjet e energjisë CMOS RF ka një tërheqje të konsiderueshme. Nujira ka zhvilluar këtë teknologji për shumë vite. Ata kanë treguar se kjo teknologji mund të kapërcejë mangësitë e shkaktuara nga jo-linearitetet në aplikimet e amplifikatorit CMOS RF. Përforcuesit e energjisë CMOS janë kritikuar si një zgjedhje e keqe për teknologjinë aktuale të modulimit të lartë PAR për shkak të linearitetit të tyre të dobët, i cili kërkon që ata të bien përsëri për të zvogëluar shtrembërimin. Kur përforcuesit CMOS veprojnë në nivele më të larta të fuqisë RF, do të ndodhë prerja dhe shtrembërimi.

Sidoqoftë, Nujira kombinon teknologjinë e saj të patentuar ISOGAIN të linearizimit në teknologjinë e saj të ndjekjes së zarfit për të eleminuar problemet e linearitetit pa përdorur DPD. Pajisjet që përdorin këtë teknologji kanë arritur qëllimin e efikasitetit të lartë dhe kanë arritur të njëjtën performancë si GaA në aspekte të tjera. Një përfitim i madh i të gjitha hulumtimeve mbi amplifikatorët CMOS është se pajisjet CMOS janë kudo në të gjithë industrinë elektronike, të mbështetura nga shumë fonderi, kështu që ato janë relativisht të lira. Për shkak se bazohet në silic, është gjithashtu e mundur që të integrohen drejtpërdrejt qarqet e kontrollit dhe paragjykimeve në çipin e amplifikatorit të energjisë.

5. Metoda të tjera krejtësisht të ndryshme

Një teknologji tjetër e amplifikatorit u mbështet nga Eta Devices, një kompani e dalë nga Instituti i Teknologjisë së Masaçusetsit dhe u bashkë-themelua nga dy profesorë të inxhinierisë elektrike Joel Dawson dhe David Perreault dhe një ish-studiues i amplifikatorit nga Ericsson dhe Huawei. Teknologjia e saj Asimetrike e Ndërprerjes me Shumë Nivele (AMO) u zhvillua nga MIT, e cila u investua bashkërisht nga bashkëthemeluesi i ADI Ray Stata dhe firma e tij e kapitalit sipërmarrës Stata Venture Partners.

Objektivi kryesor i kompanisë janë tregjet në zhvillim, duke përfshirë deri në 640,000 stacione bazë të gjeneratorëve me naftë që kushtojnë 15 miliardë dollarë në vit për sa i përket karburantit, të ndjekur nga tregu i smartphone. Në shkurt të këtij viti, Eta Devices demonstroi pajisjet e saj Eta5 në seksionin LTE të Avancuar të Kongresit Botëror të Komunikimeve Mobile në Barcelonë, Spanjë. Kanali i transmetimit të pajisjeve tejkalon 80-MHz.

Eta Devices deklaroi me guxim se teknologjia e saj ETAd Advanced (Ndjekja e Avancuar e Zarfit) pritet të ulë kostot e energjisë së stacionit bazë me 50%. Ai gjithashtu pretendon se mund të dyfishojë jetën e baterisë së telefonave inteligjentë. Premisa është që tranzitori i energjisë RF i amplifikatorit konsumon konsumin e energjisë njëkohësisht në modalitetin e gatishmërisë dhe mënyrën e transmetimit, dhe mënyra e vetme për të përmirësuar efikasitetin është ulja e fuqisë së gatishmërisë në nivelin më të ulët të mundshëm.
Kalimi midis mënyrës së gatishmërisë së konsumit të ulët të energjisë dhe daljes së lartë të energjisë do të shkaktojë shtrembërim. Sistemet ekzistuese duhet të mbajnë një nivel të lartë të energjisë në gatishmëri në mënyrë që të zbulojnë vazhdimisht këtë gjendje, me koston e konsumit të lartë të energjisë. Qasja e Eta Devices është të zgjedhësh tensionin që konsumon konsumin më të ulët të energjisë në transistor duke marrë deri në 20 milion herë në sekondë.

Një problem tjetër është se kompania shpjegoi se kërkesat e gjerësisë së brezit LTE Advanced dhe 100 MHz do të krijojnë kërkesa të mëdha për amplifikatorët e energjisë RF. Vetëm gjurmimi i zarfit nuk mund të përshtatet me këtë situatë, sepse nuk mund të mbështesë kanale më të gjera se 40Mhz. Sipas kompanisë, ETAd Advanced mbështet kanale deri në 160 MHz, kështu që mund të plotësojë si LTE-Advanced dhe 802.11ac Wi-Fi. Stacionet bazë duke përdorur teknologjinë e saj mund të jenë shumë të vogla, dhe kompania pretendon se ka zhvilluar transmetuesin e parë LTE me një efikasitet mesatar më të madh se 70%.

6. përmbledhje

Nëse përshkruani plotësisht punën aktuale të bërë për të përmirësuar efikasitetin e energjisë RF, mund të shkruani një libër të madh. Këto përmbajtje nuk janë të kufizuara në fushën e diskutuar në këtë artikull, por gjithashtu përfshijnë përdorimin e llojeve të ndryshme të amplifikatorëve dhe teknologjive mbështetëse. Kombinimi i këtyre teknologjive mund të prodhojë rezultate domethënëse. Pavarësisht se sa përparim është bërë, është e sigurt që për sa kohë që ekziston kërkesa për nivele më të larta të të dhënave, kërkimi për efikasitet më të lartë do të vazhdojë.