Nola hobetu RF potentzia anplifikadorearen eraginkortasuna?

Termodinamikaren oinarrizko legeek agerian uzten dute ekipamendu elektronikoek ezin dutela% 100eko eraginkortasuna lortu, nahiz eta etengailu elektrikoak nahiko hurbilak izan (% 98ra arte). Zoritxarrez, RF potentzia sortzen duen edozein gailuk ezin du errendimendu ezin hobea lortu edo itxi, akats gehiegi daudelako DC potentzia RF produktuaren potentzia bihurtzeko prozesuan, seinale bide bidezko transmisio osoak eragindako galera barne. funtzionamendu maiztasuna Denbora galtzea eta gailuaren berezko ezaugarri galera. Ondorioz, MIT Technology Review-eko artikulu batek irrati RF potentzia anplifikadoreari buruzko iruzkinik egin gabe esan zuen: "Oso hardware inefizientea da".

Ez da harritzekoa, RF potentzia produktuen fabrikatzaileen alderdi guztiek, erdieroaleetatik anplifikadoreetatik transmisoreetara, baita unibertsitateek eta Defentsa Sailak ere, urtero denbora eta baliabide ekonomikoak ematen dituzte RF potentzia gailuen eraginkortasuna hobetzeko. Arrazoi onak daude horretarako: eraginkortasuna pixka bat handitzeak ere bateria bidezko produktuen lanaldia luza dezake eta haririk gabeko oinarrizko estazioen urteko energia kontsumoa murriztu dezake. 1. irudian, RF zatiaren proportzioa oinarrizko estazioaren energia kontsumo orokorrarekiko erakusten da.

1. irudia: irrati-maiztasuneko hainbat produktuen zati garrantzitsuak oinarrizko estazioaren energia-kontsumoan gehituta, azken emaitza nahiko handia izango da.

Zorionez, RF efizientzia hobetzeko etengabeko ahaleginen ondoren, baldintza horiek pixkanaka aldatzen ari dira. Zeregin horietako batzuk gailuaren mailan daude, beste batzuek teknologia berritzaile batzuk erabiltzen dituzte, hala nola, inguratzailearen jarraipena, desbideratze digitala / gailur faktorea murrizteko eskemak eta AB klase arruntak baino aurreratuagoak diren anplifikadoreak erabiltzea.

Anplifikadorearen diseinuan aldaketa garrantzitsu bat Doherty arkitektura da, 5 urte barru oinarrizko estazio anplifikadoreen estandarra bihurtu dena. Bell Laborategietako Doherty doktoreak (orduan Westinghouse Electric-en parte bihurtu zenak) 1936an arkitektura hau asmatu zuenetik, isilik egon da gehienetan eta aplikazio gutxitan baino ez da erabili.

Dohertyren ikerketek anplifikadore egitura berri bat sortu dute, sarrerako seinaleak batez besteko goi-batez besteko erlazioa (PAR) oso altua duenean potentzia erantsi oso eraginkorra eskain dezakeena. Izan ere, behar bezala diseinatuta badaude, Doherty anplifikadoreen eraginkortasuna% 11 eta% 14 artean igo daiteke AB klaseko paralelo estandar estandarren aldean.

Jakina, 1936az geroztik urte askotan zehar, seinale mota batzuek bakarrik dituzte ezaugarri horiek, hala nola AM eta FM, komunikazio sistemetan modulazio eskemak erabiltzen dituztenak. Gaur egun, ia haririk gabeko sistema guztiek PAR seinale altuak sortzen dituzte, WCDMAtik CDMA2000ra maiztasun banaketa ortogonala multiplexatzea (OFDM) erabiltzen duen edozein sistemaraino, hala nola WiMAX, LTE eta, azkenaldian, Wi-Fi.

2. irudia: Doherty anplifikadore tipikoa

Doherty anplifikadore klasikoa (2. irudia), karga modulazio arkitektura gisa sailka daitekeena, benetan bi anplifikadorez osatuta dago: AB klasean funtzionatzeko alboratutako garraiatzaile anplifikadorea eta C klaseko moduko alboratutako gailur anplifikadorea. Potentzia banatzaile batek sarrerako seinalea berdin banatzen du anplifikadore bakoitzarekin 90 ° -ko aldearekin. Anplifikatu ondoren, seinalea berriro sintetizatzen da potentzia akoplagailuaren bidez. Bi anplifikadoreak aldi berean funtzionatzen dute sarrerako seinalea gorenean dagoenean, eta bakoitzak karga inpedantzia gisa jokatzen du irteerako potentzia maximizatzeko.

Hala ere, sarrerako seinalearen potentzia jaitsi ahala, C klaseko gailur anplifikadorea itzalita dago eta AB klaseko anplifikadoreak bakarrik funtzionatzen du oraindik. Potentzia maila baxuagoetan, AB klaseko anplifikadore anplifikadoreak karga inpedantzia modulatu gisa jokatzen du eraginkortasuna eta irabazia hobetzeko. Arkitekturaren bizitasuna berrituta, Doherty anplifikadorearen diseinuak aurrerapen handiak egin ditu iterazio azkarretan eta arrakasta handia lortu du.

Jakina, arkitekturarik ez da perfektua. Doherty anplifikadorearen linealtasuna eta irteerako potentzia AB mailako anplifikadore bikoitza baino zertxobait okerragoak dira. Honek, gaur egungo komunikazio ingurunean ezinbesteko aukera bihurtu den beste zirkuitu garrantzitsu bat ekartzen digu: linealizazio analogikoa eta digitala. Teknologia honetatik erabiliena predistortzio digitala (DPD) da, batzuetan gandorraren faktorearen murrizketarekin (CFR) konbinatuta. Bai DPD-k eta bai CFR-k Doherty-ren distortsioa asko murriztu dezakete eta gailu eta anplifikadoreen diseinu zainduak linealtasun-galera minimizatu dezakete. Hala ere, ez daude Doherty anplifikadoreetan erabiltzeko zorrozki zehaztuta, eta haien efektuak nahiko nabariak dira beste anplifikadore egitura batzuetan erabiltzen direnean.

1. Linealtasuna hobetu

Modulazio digitalaren teknologia modernoak anplifikadorearen linealtasuna nahikoa altua izatea eskatzen du, bestela, intermodulazioaren distortsioa gertatuko da eta seinalearen kalitatea murriztuko da. Zoritxarrez, anplifikadoreak onenean aritzen direnean, denak saturazio mailatik gertu daude. Geroago, linealak bihurtzen dira, RF potentzia irteera sarrerako potentzia handitu ahala eta distortsio nabarmenak agertzen hasten dira. Distortsio horrek elkarren arteko elkarrizketa sor dezake ondoko kanal edo zerbitzuen artean. Ondorioz, diseinatzaileek normalean RF irteerako potentzia "zona seguru" batera itzultzen dute linealtasuna bermatzeko. Hori egiten dutenean, RF transistore ugari behar dira RF irteerako potentzia jakin bat lortzeko, eta horrek korronte kontsumoa handituko du eta bateriaren iraupena txikiagoa edo oinarrizko estazioetan funtzionamendu kostuak handituko ditu.

DPD-k anplifikadorearen sarreran "distortsioaren kontrakoa" modu eraginkorrean sartzen du, anplifikadorearen linealtasuna ezabatuz. Ondorioz, anplifikadoreak ez du funtzionamendu puntu optimora erori beharrik eta, beraz, ez da RF potentzia gailurik behar. Anplifikadoreak eraginkorragoak diren heinean, onurak hozte kostuak murrizten dira eta energia kontsumo garrantzitsu guztiak dira. CFR funtzionatzen duenean, distortsioa etengabe egiaztatzen da sarrerako seinalearen batez besteko puntua eta batez bestekoa erlazioa murriztuz. Metodo honek seinalearen gailurraren balioa murrizten du, anplifikadoretik pasatzean seinaleak mozketa edo distortsiorik eragin ez dezan. DPD eta CFR batera erabiltzen direnean, irabazi handiagoa lor daiteke.
2. Desfasearen potentzia anplifikadorearen metodoa

Beste teknologia bat Henri Chireix-ek duela ia 80 urte asmatutako eta patentatutako teknologia da. Normalean "outphasing" deitu ohi da (potentzia anplifikadorea gainditzea, karga modulazio teknologiaren familiako kidea). Fujitsu-k, NXP-k eta abarrek erabiltzen dute gaur egun anplifikadorearen eraginkortasuna hobetzeko. RF potentzia anplifikadore ez-linealak konbinatzen ditu, fase desberdinetako seinaleek bultzatuta. Fasea kontrolatuta dagoenez, irteerako seinalea akoplatuta dagoenean, B klaseko RF potentzia anplifikadoreak erabiltzeak efizientzia irabaziak lor ditzake. Diseinu-teknika zainduek, batez ere erreaktantzia egokia hautatuta, sistema optimizatzen dute irteera-anplitude zehatz batera, eta horrek eraginkortasunaren gehikuntza bikoitza ekarriko du (teorian behintzat).

Fujitsuk iaz iragarri zuen potentzia anplifikadore jakin batean desfasatze metodoa hartu zuela, galera txikiko potentzia akoplamendu zirkuitu trinkoa eta DSP oinarritutako akatsen zuzenketa konpentsazio zirkuituarekin integratuta, hau da, transmisio denboraren% 65 da. dauden anplifikadoreak. , Anplifikadorearen transmisio denbora% 95etik gorakoa izan daiteke. Diseinua probatzeko, potentzia anplifikadore honen irteera gailurra 100 wattekoa izan daiteke; batez besteko efizientzia elektrikoa% 50etik% 70era handitzen da.

Sarrerako seinalea anplitudea eta fase aldaketak dituzten bi seinaletan banatzen da. Anplitudea RF potentzia gailuaren arabera ezartzen da, eta potentzia akoplamendu zirkuituak iturburuko seinale uhin forma berreraikitzen du. Aurretik, iturburuko seinalea berreraiki zenean, akoplamenduen zehaztasun galera beharrezkoa zen fase desberdintasuna zehazteko eta horrek teknologia hori merkaturatzea eragotzi zuen. Fujitsuk erabilitako akoplamenduak seinale bide laburragoa du, galera murrizten duena eta banda zabalera handitzen duena.

3. NXPren etorkizun itxaropentsua

Karga modulazio efekturik gabeko Outphasing mekanismoaren aldaera bat Lineal Amplifier of Nonlinear Concept (LINC) deritzo, akoplagailu eta anplifikadore etapa bereiziak erabiltzen ditu saturaziora gidatzeko, eta linealtasuna eta gailurraren eraginkortasuna modu eraginkorrean hobetu ditzake. Hala ere, LINC anplifikadoreen eraginkortasuna nahiko txikia da, anplifikadore bakoitzak potentzia konstantean funtzionatzen baitu, baita RF irteera maila baxuetan ere. Chireix-ek zuzendu egin zuen desfasea akoplamendu bereiztuarekin eta karga modulazioarekin konbinatuz batez besteko eraginkortasuna handitzeko. NXP Semiconductors-ek beste hobekuntza bat egin du, outphasing erabiliz switch moduko RF anplifikadore bi kontrolatzeko gailurraren faktore altuko seinaleetara egokitzeko. Konpainia Chireixoutphasing teknologiarekin konbinatzen ari da GaN HEMT aldatzeko E klaseko anplifikadoreak (3. irudia).

3. irudia: Chireix-en fasetik kanpoko potentzia anplifikadorearen bloke diagrama sinplifikatua

NXP-k garatutako eta patentatutako kontrolatzaileen teknologiari esker, anplifikadoreak efizientzia handia lortzen du gutxi gorabehera% 25eko banda zabaleran, fase erlazioa kontrolatuz. Horrek E klaseko anplifikadoreak eta karga modulazioa konbinatzen dituen arkitektura berria ekarri du anplifikadoreen eraginkortasun handia mantentzeko asetasunetik irteten direnean, eta horrek uhin forma konplexuetara egokitzeko aukera ematen du. NXP-k GaN gailuetan oinarritutako E-mailako RF potentzia anplifikadorearen erreferentzia diseinua eman zuen, eta erantsitako Chireix-ekin lotutako informazio teknikoa.

4. Gutunazalen jarraipena

Anplifikadoreen diseinatzaileek arreta jartzen duten beste teknologia funtsezko bat gutunazalen jarraipena da. Teknologia honetan, potentzia anplifikadoreari aplikatutako tentsioa etengabe doitzen da, gailurreko eskualdean funtzionatzen duela ziurtatzeko, potentzia maximizatzeko. Potentzia anplifikadorearen diseinu tipikoan DC-DC bihurgailuak ematen duen tentsio finkoarekin alderatuta, gutun-azalaren jarraipena egiteko hornidurak anplifikadoreari konektatutako energia hornidura modulatzen du, banda zabaleko eta zarata baxuko uhin forma batekin, berehalako gutunazalarekin sinkronizatuta dagoena. seinalea.

Gutun-azalaren jarraipena egiteko teknologia CMOS RF gailuetan erabiltzeak erakargarritasun handia du. Nujirak urte asko daramatza teknologia hori garatzen. CMOS RF anplifikadoreen aplikazioetan linealtasun ezak eragindako gabeziak gainditu ditzakeela erakutsi dute. CMOS potentzia anplifikadoreak gaur egungo PAR modulazio teknologiaren aukera txarra dela kritikatu dute berezko linealtasun eskasa dela eta, distortsioa murrizteko atzera egitea eskatzen duelako. CMOS anplifikadoreak RF potentzia maila altuagoetan funtzionatzen dutenean, mozketa eta distortsioa gertatuko dira.

Hala ere, Nujirak patentatutako ISOGAIN linealizazio teknologia konbinatzen du gutunazalen jarraipen jabeduneko teknologian linealtasun arazoak ezabatzeko DPD erabili gabe. Teknologia hau erabiltzen duten ekipoek eraginkortasun handiko helburua lortu dute eta beste alderdi batzuetan GaAs-ren errendimendu bera lortu dute. CMOS anplifikadoreen inguruko ikerketa guztien onura izugarria da CMOS gailuak nonahi direla elektronika industria osoan, burdinola askok lagunduta, beraz nahiko merkeak dira. Silizioan oinarrituta dagoenez, kontrol anplifikadorearen txipean zuzenean txertatzeko aukera ere badago.

5. Beste metodo guztiz desberdinak

Beste anplifikadore teknologia bat defendatu zuen Eta Devices konpainiak, Massachusetts Institutuko Teknologia Institututik abiatuta, eta Joel Dawson eta David Perreault elektrizitate ingeniaritzako bi irakaslek eta Ericsson eta Huawei enpresako anplifikadore ikertzaile ohiak sortu zuten. Bere Maila Anitzeko Outphasing (AMO) teknologia asimetrikoa MITek garatu zuen, ADI Ray Stata sortzailearen eta Stata Venture Partners bere arrisku kapitaleko enpresak batera inbertitu zutena.

Konpainiaren helburu nagusia merkatu emergenteak dira, urtean 640,000 diesel sorgailu dituzten oinarrizko zentralak barne, urtean 15 mila milioi dolarreko kostua dutenak erregai aldetik, eta gero smartphone telefonoen merkatuak. Aurtengo otsailean, Eta Devices-ek bere Eta5 ekipoa erakutsi zuen Bartzelonan, Espainiako Komunikazio Mugikorren Munduko Kongresuko Advanced LTE atalean. Ekipoaren transmisio kanala 80 MHz baino handiagoa da.

Eta Devices-ek ausarki adierazi zuen bere ETAdvanced (Envelope Tracking Advanced) teknologiak oinarrizko estazioen energia kostuak% 50 murriztuko dituela. Gainera, telefonoen bateriaren iraupena bikoiztu dezakeela dio. Premisa da anplifikadorearen RF potentzia transistoreak aldi berean energia kontsumoa kontsumitzen duela egonean moduan eta transmisio moduan, eta eraginkortasuna hobetzeko modu bakarra egonean dagoen potentzia ahalik eta maila baxuenera murriztea da.
Energia kontsumo txikiko egonean modua eta potentzia handiko irteera aldatzeak distortsioa eragingo du. Egun dauden sistemek egonean egoteko potentzia maila altua mantendu behar dute egoera hori etengabe detektatzeko, energia kontsumo handiaren kostuarekin. Eta Devices-en ikuspegia transistorean zehar kontsumo txikiena kontsumitzen duen tentsioa hautatzea da segundoko 20 milioi aldiz laginduz.

Beste arazo bat da konpainiak LTE Advanced eta 100 MHz banda zabalerako eskakizunek RF potentzia anplifikadoreen eskaera handia sortuko dutela. Gutun-azalen jarraipena bakarrik ezin da egoera honetara egokitu, ezin baitu 40Mhz baino zabalagoak diren kanalak onartzen. Konpainiaren arabera, ETAdvanced-ek 160 MHz arteko kanalak onartzen ditu, beraz LTE-Advanced eta 802.11ac Wi-Fi bateragarriak izan daitezke. Bere teknologia erabiltzen duten oinarrizko estazioak oso txikiak izan daitezke, eta konpainiak dio LTE lehen igorlea% 70 baino handiagoa den batez besteko eraginkortasuna garatu duela.

6. Laburpena

RF potentziaren eraginkortasuna hobetzeko egindako lana guztiz deskribatzen baduzu, liburu handi bat idatz dezakezu. Eduki hauek ez dira artikulu honetan aztertutako eremura mugatzen, baizik eta anplifikadore mota desberdinen erabilera eta euskarri teknologiak ere biltzen dituzte. Teknologia horien konbinazioak emaitza esanguratsuak sor ditzake. Zenbat aurrerapen eman, ziur dago datu-tasa altuagoen eskaera oraindik ere eraginkortasun handiagoa lortzeko bilaketak jarraituko duela.