Hoe kan die doeltreffendheid van RF-kragversterker verbeter word?

Die basiese wette van termodinamika toon dat geen elektroniese toerusting 100% doeltreffendheid kan behaal nie, alhoewel skakelkragvoorrade relatief naby is (tot 98%). Ongelukkig kan enige toestel wat RF-krag genereer, tans nie die ideale prestasie bereik of naby wees nie, omdat daar te veel defekte in die proses is om GS-krag om te skakel na RF-krag, insluitend die verlies wat deur die hele seinweguitsending veroorsaak word. die bedryfsfrekwensie Tydverlies, en die inherente kenmerkende verlies van die toestel. As gevolg hiervan lewer 'n artikel in die MIT Technology Review onfeilbare kommentaar op die RF-kragversterker: "Dit is 'n baie ondoeltreffende hardeware."

Dit is nie verbasend nie dat elke aspek van vervaardigers van RF-kragprodukte, van halfgeleiers tot versterkers tot senders, sowel as universiteite en die Departement van Verdediging, elke jaar baie tyd en finansiële hulpbronne spandeer om die doeltreffendheid van RF-kragtoestelle te verbeter. Daar is goeie redes hiervoor: selfs 'n effense toename in doeltreffendheid kan die werkstyd van battery-aangedrewe produkte verleng en die jaarlikse kragverbruik van draadlose basisstasies verminder. Figuur 1 toon die verhouding van die RF-deel tot die totale kragverbruik van die basisstasie.

Figuur 1: As u die relevante dele van verskillende radiofrekwensieprodukte by die kragverbruik van die basisstasie voeg, sal die finale resultaat redelik groot wees.

Gelukkig verander hierdie toestande geleidelik na jare van deurlopende pogings om RF-doeltreffendheid te verbeter. Sommige van hierdie take is op die toestelvlak, terwyl ander 'n paar innoverende tegnologieë gebruik, soos omhulselopsporing, digitale voorvervorming- / kruinfaktorreduksieskema's, en die gebruik van versterkers wat meer gevorderd is as gewone AB-vlakke.

'N Groot verskuiwing in die ontwerp van die versterker is die Doherty-argitektuur, wat binne vyf jaar die standaard vir basisstasieversterkers geword het. Sedert Dr. Doherty van Bell Laboratories (wat toe deel van Westinghouse Electric geword het) hierdie argitektuur in 5 uitgevind het, was dit die meeste van die tyd stil en word dit slegs in enkele toepassings gebruik.

Doherty se navorsing het 'n nuwe versterkerstruktuur geskep wat 'n uiters hoë effektiwiteit kan bied wanneer die insetsein 'n baie hoë piek-tot-gemiddelde-verhouding (PAR) het. In werklikheid, as dit goed ontwerp is, kan die doeltreffendheid van Doherty-versterkers met 11% tot 14% verhoog word in vergelyking met standaard parallelklas AB-versterkers.

Natuurlik het baie jare na 1936 slegs enkele soorte seine hierdie eienskappe, soos AM en FM, wat modulasieskema's in kommunikasiestelsels gebruik. Op die oomblik genereer byna elke draadlose stelsel hoë PAR-seine, van WCDMA tot CDMA2000 tot enige stelsel wat ortogonale frekwensie-delingsmultipleksing (OFDM) gebruik, soos WiMAX, LTE en meer onlangs, Wi-Fi.

Figuur 2: 'n Tipiese Doherty-versterker

Die klassieke Doherty-versterker (Figuur 2), wat as 'n lasmodulasie-argitektuur geklassifiseer kan word, bestaan eintlik uit twee versterkers: 'n draagversterker wat bevooroordeeld is om in die klas AB-modus te werk, en 'n piekversterker wat aan die klas C-modus voorgesit is. 'N Kragverdeler deel die insetsein gelyk aan elke versterker met 'n 90 ° faseverskil. Na versterking word die sein weer deur die kragkoppelaar gesintetiseer. Die twee versterkers werk op dieselfde tyd as die insetsein op sy hoogtepunt is, en elkeen gedra hulle as 'n laai-impedansie om die uitsetkrag te maksimeer.

Namate die ingangsein se krag daal, word die Klas C-piekversterker egter afgeskakel, en slegs die Klas AB-draversterker werk steeds. By laer kragvlakke gedra die Class AB-draversterker as 'n gemoduleerde laai-impedansie om die doeltreffendheid en wins te verbeter. Met die hernieude vitaliteit van die argitektuur het die Doherty-versterkerontwerp aansienlike vordering gemaak in vinnige herhalings en groot sukses behaal.

Natuurlik is geen argitektuur perfek nie. Die lineariteit en uitsetkrag van die Doherty-versterker is effens erger as die dubbele klas AB-versterker. Dit bring vir ons nog 'n belangrike stroombaan wat 'n onontbeerlike keuse geword het in die hedendaagse kommunikasie-omgewing: analoog en digitale lineariseringstegnologie. Die mees gebruikte van hierdie tegnologie is digitale voorvervorming (DPD), soms gekombineer met CRF (CREST). Beide DPD en CFR kan die vervorming van Doherty aansienlik verminder, en die noukeurige ontwerp van toestelle en versterker kan die verlies aan lineariteit tot die minimum beperk. Hulle is egter nie streng omskryf vir gebruik in Doherty-versterkers nie, en die effekte daarvan is baie duidelik as dit in ander versterkerstrukture gebruik word.

1. Verbeter lineariteit

Moderne digitale modulasietegnologie vereis dat die lineariteit van die versterker voldoende hoog is, anders kom intermodulasie vervorming voor en sal die seingehalte verlaag word. Ongelukkig, wanneer die versterkers op hul beste presteer, is hulle almal naby hul versadigingsvlakke. Later word hulle nie-lineêr, die RF-kraguitset daal namate die toevoerkrag toeneem, en beduidende vervormings begin verskyn. Hierdie vervorming kan oorheersing tussen aangrensende kanale of dienste veroorsaak. As gevolg hiervan trek ontwerpers gewoonlik die RF-uitsetkrag terug na 'n 'veilige sone' om lineariteit te verseker. Wanneer hulle dit doen, is verskeie RF-transistors nodig om 'n gegewe RF-uitsetkrag te bewerkstellig, wat die huidige verbruik sal verhoog en korter batterylewe of hoër bedryfskoste in basisstasies tot gevolg sal hê.

DPD stel effektief 'anti-vervorming' by die ingang van die versterker in, wat die versterker se nie-lineariteit elimineer. As gevolg hiervan hoef die versterker nie terug te val na die optimale werkpunt nie, en daarom is geen RF-kragtoestelle meer nodig nie. Namate versterkers doeltreffender word, is die voordele laer as die verkoelingskoste en alle belangrike kragverbruik. As CFR werk, word die vervorming deurlopend gekontroleer deur die piek-tot-gemiddelde verhouding van die insetsein te verminder. Hierdie metode verminder die piekwaarde van die sein sodat die sein nie knip of vervorming veroorsaak as dit deur die versterker beweeg nie. Wanneer DPD en CFR saam gebruik word, kan groter wins behaal word.
2. Out-of-fase kragversterker metode

'N Ander tegnologie is 'n gepatenteerde tegnologie wat bykans 80 jaar gelede deur Henri Chireix uitgevind is. Dit word gewoonlik 'outphasing' (outphasing power amplifier, 'n lid van die lasmodulasietegnologie-familie) genoem. Dit word tans gebruik deur Fujitsu, NXP, ens. Om die doeltreffendheid van die versterker te verbeter. Dit kombineer twee nie-lineêre RF-kragversterkers wat aangedryf word deur seine van verskillende fases. Aangesien die fase beheer word, kan die gebruik van Klas B RF-kragversterkers, wanneer die uitsetsein gekoppel word, doeltreffendheidswinste behaal. Versigtige ontwerptegnieke, veral die keuse van die toepaslike reaktansie, kan die stelsel op 'n spesifieke uitsetamplitude optimaliseer, wat die doeltreffendheidstoename twee keer sal meebring (ten minste in teorie).

Fujitsu het verlede jaar aangekondig dat hy die outphasing-metode in 'n sekere kragversterker gebruik, wat 'n kompakte stroomkoppelkring met 'n lae verlies en 'n DSP-gebaseerde fase-foutkorrigeringskompensasie-stroombaan integreer, wat 65% van die transmissietyd is wat bestaande versterkers. , Die transmissietyd van die versterker kan 95% oorskry. Om die ontwerp te toets, kan die maksimum uitset van hierdie kragversterker 100 watt bereik; die gemiddelde elektriese doeltreffendheid word verhoog van 50% tot 70%.

Die insetsein word verdeel in twee seine met konstante amplitude en faseveranderings. Die amplitude word volgens die RF-kragtoestel gestel, en die kragkoppelingskring konstrueer die bronsignaalvorm. Voorheen, toe die bronsignaal gerekonstrueer is, was die verlies aan koppelingsnauwkeurigheid nodig om die faseverskil te bepaal, wat die kommersialisering van hierdie tegnologie verhinder het. Die koppelaar wat deur Fujitsu gebruik word, het 'n korter seinpad wat verlies verminder en bandwydte verhoog.

3. NXP se belowende ontwikkeling

'N Variant van die Outphasing-meganisme sonder lasmodulasie-effek word Lineêre versterker van nie-lineêre konsep (LINC) genoem, wat 'n aparte koppel- en versterkerstadium gebruik om na versadiging te ry, en die lineêre en piekdoeltreffendheid effektief kan verbeter. Die doeltreffendheid van LINC-versterkers is egter relatief laag, want elke versterker werk met 'n konstante krag, selfs op lae RF-uitsetvlakke. Chireix het dit reggestel deur outphasing met 'n nie-geskeide koppeling en lasmodulasie te kombineer om die gemiddelde doeltreffendheid te verhoog. NXP Semiconductors het 'n verdere verbetering aangebring deur gebruik te maak van twee skakelmodus-RF-versterkers om hulle aan te pas by seine met hoë kruinfaktore. Die onderneming kombineer Chireixoutphasing-tegnologie met GaN HEMT-skakelklasse E-versterkers (Figuur 3).

Figuur 3: Vereenvoudigde Chireix out-of-phase kragversterker blokdiagram

Die nuwe drywertegnologie wat deur NXP ontwikkel en gepatenteer is, stel die versterker in staat om hoë doeltreffendheid oor 'n bandwydte van ongeveer 25% te behaal deur die faseverhouding te beheer. Dit het gelei tot 'n nuwe argitektuur wat Klas E-versterkers en lasmodulasie kombineer om die hoë doeltreffendheid van die versterkers te handhaaf wanneer hulle versadiging verlaat, wat hulle in staat stel om aan te pas by verskillende komplekse golfvorms. NXP het 'n verwysingsontwerp verskaf vir die E-klas RF-kragversterker gebaseer op GaN-toestelle, en Chireix-verwante tegniese inligting aangeheg.

4. koevert dop

'N Ander belangrike tegnologie waaraan versterker-ontwerpers aandag gee, is koevertopsporing. In hierdie tegnologie word die spanning wat op die kragversterker toegepas word, deurlopend aangepas om te verseker dat dit in die piekstreek werk om die krag te maksimeer. In vergelyking met die vaste spanning wat deur die DC-DC-omskakelaar in 'n tipiese kragversterkerontwerp voorsien word, moduleer die koevertopsporingstoevoer die kragtoevoer wat aan die versterker gekoppel is, met 'n hoë bandbreedte, lae ruis golfvorm, wat gesinkroniseer word met die oombliklike koevert sein.

Die gebruik van koevertopsporingstegnologie in CMOS RF-kragtoestelle het aansienlike aantrekkingskrag. Nujira ontwikkel hierdie tegnologie al baie jare. Hulle het getoon dat hierdie tegnologie die tekortkominge wat veroorsaak word deur nie-lineariteite in CMOS RF-versterkertoepassings, kan oorkom. CMOS-kragversterkers word gekritiseer as 'n slegte keuse vir die huidige hoë PAR-modulasietegnologie vanweë hul inherente swak lineariteit, wat vereis dat hulle terugval om vervorming te verminder. Wanneer CMOS-versterkers op hoër RF-drywingsvlakke gebruik word, sal die knip en vervorming voorkom.

Nujira kombineer egter sy gepatenteerde ISOGAIN-lineariseringstegnologie in sy eie koevertopsporingstegnologie om lineariteitsprobleme uit die weg te ruim sonder om DPD te gebruik. Die toerusting wat hierdie tegnologie gebruik, het die doel van hoë doeltreffendheid bereik en in ander aspekte dieselfde prestasie as GaA's behaal. 'N Groot voordeel van alle navorsing oor CMOS-versterkers is dat CMOS-toestelle alomteenwoordig is in die hele elektroniese industrie, ondersteun deur baie gieterye, en dit is dus relatief goedkoop. Omdat dit op silikon gebaseer is, is dit ook moontlik om beheer- en voorspanningskringe direk in die kragversterker-skyf te integreer.

5. Ander heeltemal ander metodes

'N Ander versterkertegnologie is voorgestaan deur Eta Devices, 'n onderneming wat van die Massachusetts Institute of Technology afgestig is, en is mede-stigter van twee elektriese ingenieursprofessore Joel Dawson en David Perreault en 'n voormalige navorser van die versterker van Ericsson en Huawei. Die Asymmetric Multi-Level Outphasing (AMO) -tegnologie is ontwikkel deur MIT, wat gesamentlik belê is deur ADI-medestigter Ray Stata en sy waagkapitaalfirma Stata Venture Partners.

Die primêre mikpunt van die maatskappy is opkomende markte, waaronder 640,000 kragopwekkers vir dieselopwekkers wat US $ 15 miljard per jaar kos in brandstof, gevolg deur die slimfoonmark. In Februarie vanjaar het Eta Devices sy Eta5-toerusting getoon tydens die Advanced LTE-afdeling van die Mobile Communications World Congress in Barcelona, Spanje. Die transmissiekanaal van die toerusting is meer as 80 MHz.

Eta Devices het met vrymoedigheid verklaar dat die ETAdvanced-tegnologie (Advanced Envelope Tracking) na verwagting die energiekoste van die basisstasie met 50% sal verlaag. Dit beweer ook dat dit die batterylewe van slimfone kan verdubbel. Die uitgangspunt is dat die RF-kragtransistor van die versterker die kragverbruik gelyktydig in die standby-modus en die transmissiemodus verbruik, en die enigste manier om die doeltreffendheid te verbeter, is om die standby-krag tot die laagste moontlike vlak te verminder.
Skakeling tussen standby-modus met lae kragverbruik en hoë kraglewering sal vervorming veroorsaak. Bestaande stelsels moet 'n hoë standby-kragvlak handhaaf om hierdie toestand voortdurend op te spoor, ten koste van 'n hoë kragverbruik. Eta Devices se benadering is om die spanning te kies wat die laagste kragverbruik oor die transistor verbruik, deur tot 20 miljoen keer per sekonde te bemonster.

'N Ander probleem is dat die maatskappy verduidelik het dat die LTE Advanced- en 100 MHz-bandwydtevereistes 'n groot vraag na RF-kragversterkers sal skep. Koevertopsporing alleen kan nie by hierdie situasie aanpas nie, omdat dit nie kanale van meer as 40 MHz kan ondersteun nie. Volgens die maatskappy ondersteun ETAdvanced kanale tot 160 MHz, sodat dit aan beide LTE-Advanced en 802.11ac Wi-Fi kan voldoen. Basisstasies wat die tegnologie gebruik, kan baie klein wees, en die maatskappy beweer dat hy die eerste LTE-sender ontwikkel het met 'n gemiddelde doeltreffendheid van meer as 70%.

6. Opsomming

As u die huidige werk wat gedoen is om RF-kragdoeltreffendheid te verbeter, volledig kan beskryf, kan u 'n groot boek skryf. Hierdie inhoud is nie beperk tot die omvang wat in hierdie artikel bespreek word nie, maar sluit ook die gebruik van verskillende soorte versterkers en ondersteunende tegnologieë in. Die kombinasie van hierdie tegnologieë kan betekenisvolle resultate lewer. Dit maak nie saak hoeveel vordering gemaak word nie, dit is seker dat so lank as wat die vraag na hoër datatempo's bestaan, die soeke na hoër doeltreffendheid sal voortduur.