Как да подобрим ефективността на RF усилвателя на мощност?

Основните закони на термодинамиката разкриват, че никое електронно оборудване не може да постигне 100% ефективност, въпреки че импулсните захранвания са относително близо (до 98%). За съжаление, понастоящем всяко устройство, което генерира RF мощност, не може да постигне или да се доближи до идеалната производителност, тъй като има твърде много дефекти в процеса на преобразуване на DC мощност в RF мощност на продукта, включително загубите, причинени от цялото предаване на сигналния път, към работната честота Загуба на време и присъщата характерна загуба на устройството. В резултат на това статия в MIT Technology Review безцеремонно коментира RF усилвателя на мощност „Това е много неефективен хардуер“.

Не е изненадващо, че всеки аспект на производителите на радиочестотни продукти, от полупроводници до усилватели до предаватели, както и университетите и Министерството на отбраната, отделят много време и финансови ресурси всяка година, за да подобрят ефективността на RF устройствата. За това има основателни причини: дори леко повишаване на ефективността може да удължи времето за работа на продуктите, захранвани от батерии, и да намали годишната консумация на енергия на безжичните базови станции. Фигура 1 показва съотношението на RF частта към общата консумация на енергия на базовата станция.

Фигура 1: Добавянето на съответните части от различни радиочестотни продукти в консумацията на енергия на базовата станция, крайният резултат ще бъде доста голям.

За щастие, след години на непрекъснати усилия за подобряване на радиочестотната ефективност, тези условия постепенно се променят. Някои от тези задачи са на ниво устройство, докато други използват някои иновативни технологии, като проследяване на обвивката, схеми за намаляване на цифровото предисторция / фактор на гребена и използването на усилватели, които са по-напреднали от общите нива на AB клас.

Основна промяна в дизайна на усилвателя е архитектурата на Doherty, която се превърна в стандарт за усилвателите на базовите станции в рамките на 5 години. Тъй като д-р Дохърти от Bell Laboratories (който след това стана част от Westinghouse Electric) изобрети тази архитектура през 1936 г., тя през повечето време мълча и се използва само в няколко приложения.

Изследванията на Doherty създадоха нова структура на усилвателя, която може да осигури изключително висока ефективност на добавена мощност, когато входният сигнал има много високо съотношение между върховете и средните стойности (PAR). Всъщност, ако са правилно проектирани, ефективността на усилвателите на Doherty може да се увеличи с 11% до 14% в сравнение със стандартните усилватели AB паралелен клас.

Разбира се, в продължение на много години след 1936 г. само няколко типа сигнали притежават тези характеристики, като AM и FM, които използват модулационни схеми в комуникационните системи. Понастоящем почти всяка безжична система генерира високи PAR сигнали, от WCDMA до CDMA2000 до всяка система, която използва ортогонално мултиплексиране с честотно разделяне (OFDM), като WiMAX, LTE, а отскоро и Wi-Fi.

Фигура 2: Типичен усилвател на Doherty

Класическият усилвател на Doherty (Фигура 2), който може да се класифицира като архитектура за модулация на натоварване, всъщност се състои от два усилвателя: носещ усилвател, пристрастен да работи в режим АВ клас, и пиков усилвател, пристрастен към режим С клас. Разделител на мощността разделя входния сигнал по равно на всеки усилвател с 90 ° фазова разлика. След усилване, сигналът се синтезира отново чрез силовия съединител. Двата усилвателя работят едновременно, когато входният сигнал е на върха си, и всеки се държи като импеданс на товара, за да максимизира изходната мощност.

Тъй като обаче мощността на входния сигнал пада, пиковият усилвател от клас C е изключен и само носещият усилвател от клас AB все още работи. При по-ниски нива на мощност усилвателят Class AB се държи като модулиран импеданс на товара за подобряване на ефективността и печалбата. С подновената жизненост на архитектурата, дизайнът на усилвателя Doherty постигна значителен напредък в бързите итерации и постигна голям успех.

Разбира се, никоя архитектура не е перфектна. Линейността и изходната мощност на усилвателя Doherty са малко по-лоши от двойния клас AB усилвател. Това ни носи друга важна схема, която се превърна в незаменим избор в съвременната комуникационна среда: аналогова и цифрова технология за линеаризация. Най-широко използваната от тази технология е цифровото предисторство (DPD), понякога комбинирано с намаляване на фактора на гребена (CFR). Както DPD, така и CFR могат значително да намалят изкривяванията на Doherty, а внимателният дизайн на устройството и усилвателя може да сведе до минимум загубата на линейност. Те обаче не са строго определени за използване в усилватели на Doherty и техните ефекти са съвсем очевидни, когато се използват в други усилвателни структури.

1. Подобрете линейността

Съвременната технология за цифрова модулация изисква линейността на усилвателя да е достатъчно висока, в противен случай ще възникне интермодулационно изкривяване и качеството на сигнала ще бъде намалено. За съжаление, когато усилвателите се представят най-добре, всички те са близо до нивата на насищане. По-късно те стават нелинейни, изходната мощност на RF спада с увеличаването на входната мощност и започват да се появяват значителни изкривявания. Това изкривяване може да доведе до кръстосани препратки между съседни канали или услуги. В резултат на това дизайнерите обикновено отстъпват RF изходната мощност на "безопасна зона", за да осигурят линейност. Когато правят това, са необходими множество RF транзистори, за да се постигне дадена RF изходна мощност, което ще увеличи консумацията на ток и ще доведе до по-кратък живот на батерията или по-високи експлоатационни разходи в базовите станции.

DPD ефективно въвежда "анти-изкривяване" на входа на усилвателя, премахвайки нелинейността на усилвателя. В резултат на това усилвателят не трябва да се връща към оптималната работна точка и по този начин не се изискват повече RF захранващи устройства. Тъй като усилвателите стават по-ефективни, предимствата са намалените разходи за охлаждане и цялата важна консумация на енергия. Когато CFR работи, изкривяването се проверява непрекъснато чрез намаляване на пиковото / средното съотношение на входния сигнал. Този метод намалява пиковата стойност на сигнала, така че сигналът да не причинява изрязване или изкривяване при преминаване през усилвателя. Когато DPD и CFR се използват заедно, може да се постигне по-голяма печалба.
2. Метод на усилвател извън фаза

Друга технология е патентована технология, измислена и държана от Анри Ширей преди близо 80 години. Обикновено се нарича "пресичане на фазата" (усилвател на усилваща мощност, член на семейството на технологията за модулация на натоварване). В момента се използва от Fujitsu, NXP и др. За подобряване на ефективността на усилвателя. Той съчетава два нелинейни RF усилвателя на мощност, които се задвижват от сигнали от различни фази. Тъй като фазата се контролира, когато изходният сигнал е свързан, използването на усилватели на мощност от клас B RF може да постигне повишаване на ефективността. Внимателните дизайнерски техники, особено изборът на подходящо съпротивление, могат да оптимизират системата до определена амплитуда на изхода, което ще доведе до двойно увеличение на ефективността (поне на теория).

Fujitsu обяви миналата година, че е приел метода на разфасоване в определен усилвател на мощност, интегрирайки компактна верига за свързване на захранването с ниски загуби и базирана на DSP верига за корекция на фазовите грешки, което е 65% от времето за предаване, общо за съществуващи усилватели. , Времето на предаване на усилвателя може да надвишава 95%. За да се тества дизайнът, пиковата мощност на този усилвател на мощност може да достигне 100 вата; средната електрическа ефективност се увеличава от 50% на 70%.

Входният сигнал е разделен на два сигнала с постоянна амплитуда и фазови промени. Амплитудата се настройва според RF захранващото устройство и веригата за свързване на захранването реконструира формата на вълната на източника на сигнал. Преди това, когато източникът на сигнала беше реконструиран, загубата на точност на свързване беше необходима за определяне на фазовата разлика, което предотврати комерсиализирането на тази технология. Разклонителят, използван от Fujitsu, има по-кратък път на сигнала, което намалява загубите и увеличава честотната лента.

3. Обещаващото развитие на NXP

Вариант на Outphasing механизма без ефект на модулация на натоварването се нарича Линеен усилвател на нелинейна концепция (LINC), който използва отделен съединител и усилващ етап за задвижване до насищане и може ефективно да подобри линейността и пиковата ефективност. Ефективността на усилвателите LINC обаче е относително ниска, тъй като всеки усилвател работи с постоянна мощност, дори при ниски RF изходни нива. Chireix коригира това, като комбинира отклоняване с неразделен съединител и модулация на товара, за да увеличи средната ефективност. NXP Semiconductors направи по-нататъшно подобрение, като използва фаза за управление на два RF усилвателя в режим на превключване, за да ги адаптира към сигналите с висок фактор на гребена. Компанията комбинира технологията Chireixoutphasing с GaN HEMT превключващи усилватели клас Е (Фигура 3).

Фигура 3: Опростена блок-схема на извънфазов усилвател на мощност на Chireix

Новата технология на драйвер, разработена и патентована от NXP, позволява на усилвателя да постигне висока ефективност в широчина на честотната лента от приблизително 25% чрез контролиране на фазовата връзка. Това доведе до нова архитектура, която комбинира усилватели от клас Е и модулация на натоварването, за да поддържа високата ефективност на усилвателите, когато излизат от насищане, което им позволява да се адаптират към различни сложни форми на вълната. NXP предостави референтен дизайн за усилвател на мощност RF от клас E, базиран на GaN устройства, и прикачи техническа информация, свързана с Chireix.

4. Проследяване на пликове

Друга ключова технология, на която дизайнерите на усилвателите обръщат внимание, е проследяването на плика. При тази технология напрежението, приложено към усилвателя на мощността, се регулира непрекъснато, за да се гарантира, че работи в пиковия регион, за да максимизира мощността. В сравнение с фиксираното напрежение, осигурено от DC-DC преобразувателя в типичен дизайн на усилвател на мощност, захранването за проследяване на плика модулира захранването, свързано към усилвателя, с форма на вълна с висока честотна лента и ниско ниво на шум, която се синхронизира с моменталната обвивка сигнал.

Използването на технология за проследяване на пликове в CMOS RF захранващи устройства има значителна привлекателност. Nujira разработва тази технология в продължение на много години. Те показаха, че тази технология може да преодолее недостатъците, причинени от нелинейностите в приложенията на CMOS RF усилвателя. Усилвателите на мощност CMOS са критикувани като лош избор за настоящата технология с висока PAR модулация поради присъщата им лоша линейност, която изисква от тях да отстъпят, за да намалят изкривяванията. Когато CMOS усилвателите работят при по-високи нива на RF мощност, ще настъпи изрязване и изкривяване.

Nujira обаче комбинира патентованата си технология за линеаризация ISOGAIN в собствената си технология за проследяване на пликове, за да елиминира проблемите с линейността, без да използва DPD. Оборудването, използващо тази технология, е достигнало целта за висока ефективност и е постигнало същата производителност като GaAs в други аспекти. Огромна полза от всички изследвания на CMOS усилвателите е, че CMOS устройствата са повсеместни в цялата електронна индустрия, подкрепяни от много леярни, така че са относително евтини. Тъй като се основава на силиций, възможно е също директно да се интегрират схеми за управление и пристрастия на чипа на усилвателя на мощност.

5. Други напълно различни методи

Друга усилвателна технология се застъпва от Eta Devices, компания, отделена от Масачузетския технологичен институт, и е съосновател на двама преподаватели по електротехника Джоел Доусън и Дейвид Перо и бивш изследовател на усилватели от Ericsson и Huawei. Неговата технология за асиметрично многостепенно разширяване (AMO) е разработена от MIT, която е инвестирана съвместно от съоснователя на ADI Рей Стата и неговата компания за рисков капитал Stata Venture Partners.

Основната цел на компанията са развиващите се пазари, включително до 640,000 15 базови станции за дизелови генератори, които струват 5 милиарда долара годишно по отношение на горивото, следвани от пазара на смартфони. През февруари тази година Eta Devices демонстрира оборудването си Eta80 в раздела Advanced LTE на Световния конгрес за мобилни комуникации в Барселона, Испания. Предавателният канал на оборудването надвишава XNUMX MHz.

Eta Devices смело заяви, че нейната технология ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) се очаква да намали разходите за енергия на базовата станция с 50%. Той също така твърди, че може да удвои живота на батерията на смартфоните. Предпоставката е, че радиочестотният транзистор на усилвателя консумира консумация на енергия едновременно в режим на готовност и режим на предаване, а единственият начин за подобряване на ефективността е намаляване на мощността в режим на готовност до възможно най-ниското ниво.
Превключването между режим на готовност с ниска консумация на енергия и висока изходна мощност ще доведе до изкривяване. Съществуващите системи трябва да поддържат високо ниво на мощност в режим на готовност, за да могат непрекъснато да откриват това състояние, на цената на високата консумация на енергия. Подходът на Eta Devices е да избере напрежението, което консумира най-ниската консумация на енергия в транзистора, като взема проби до 20 милиона пъти в секунда.

Друг проблем е, че компанията обясни, че изискванията за LTE Advanced и честотна лента от 100 MHz ще създадат огромно търсене на RF усилватели на мощност. Проследяването на пликове само не може да се адаптира към тази ситуация, тъй като не може да поддържа канали, по-широки от 40Mhz. Според компанията ETAdvanced поддържа канали до 160 MHz, така че може да отговаря както на LTE-Advanced, така и на 802.11ac Wi-Fi. Базовите станции, използващи нейната технология, могат да бъдат много малки и компанията твърди, че е разработила първия LTE предавател със средна ефективност по-голяма от 70%.

6. Обобщение

Ако опишете напълно текущата работа, извършена за подобряване на ефективността на радиочестотната енергия, можете да напишете голяма книга. Това съдържание не се ограничава до обхвата, обсъден в тази статия, но също така включва използването на различни видове усилватели и поддържащи технологии. Комбинацията от тези технологии може да доведе до значими резултати. Без значение колко е постигнат напредък, сигурно е, че докато търсенето на по-високи скорости на данни все още съществува, търсенето на по-висока ефективност ще продължи.