Как повысить эффективность усилителя мощности RF?
Основные законы термодинамики показывают, что ни одно электронное оборудование не может достичь 100% эффективности, хотя импульсные источники питания относительно близки (до 98%). К сожалению, любое устройство, генерирующее ВЧ-мощность, в настоящее время не может достичь идеальных характеристик или приблизиться к ним, потому что существует слишком много дефектов в процессе преобразования мощности постоянного тока в мощность ВЧ-продукции, включая потери, вызванные передачей всего пути сигнала, чтобы рабочая частота Временные потери и потери характеристик, присущие устройству. В результате статья в MIT Technology Review бесцеремонно прокомментировала ВЧ-усилитель мощности: «Это очень неэффективное оборудование».
Неудивительно, что каждый аспект производителей ВЧ-устройств, от полупроводников до усилителей и передатчиков, а также университетов и Министерства обороны ежегодно тратит много времени и финансовых ресурсов на повышение эффективности ВЧ-устройств. Для этого есть веские причины: даже небольшое повышение эффективности может продлить время работы продуктов с батарейным питанием и снизить годовое энергопотребление беспроводных базовых станций. На рисунке 1 показано соотношение РЧ-части к общей потребляемой мощности базовой станции.
Рисунок 1: Сложив соответствующие части различных радиочастотных продуктов в потребляемой мощности базовой станции, конечный результат будет довольно большим.
К счастью, после многих лет непрерывных усилий по повышению эффективности РЧ эти условия постепенно меняются. Некоторые из этих задач выполняются на уровне устройства, в то время как другие используют некоторые инновационные технологии, такие как отслеживание огибающей, цифровые схемы уменьшения предыскажений / пик-фактора и использование усилителей, которые более продвинуты, чем обычные уровни класса AB.
Основным сдвигом в конструкции усилителя является архитектура Доэрти, которая за 5 лет стала стандартом для усилителей для базовых станций. С тех пор, как доктор Доэрти из Bell Laboratories (которая затем стала частью Westinghouse Electric) изобрел эту архитектуру в 1936 году, большую часть времени она молчала и использовалась лишь в нескольких приложениях.
В ходе исследования Доэрти была создана новая структура усилителя, которая может обеспечить чрезвычайно высокую эффективность добавленной мощности, когда входной сигнал имеет очень высокое отношение пиковой мощности к средней (PAR). Фактически, при правильном проектировании эффективность усилителей Догерти может быть увеличена на 11–14% по сравнению со стандартными параллельными усилителями класса AB.
Конечно, в течение многих лет после 1936 года только несколько типов сигналов обладают этими характеристиками, например AM и FM, которые используют схемы модуляции в системах связи. В настоящее время почти каждая беспроводная система генерирует сигналы с высоким PAR, от WCDMA до CDMA2000 в любую систему, которая использует мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), например WiMAX, LTE и, в последнее время, Wi-Fi.
Рисунок 2: Типичный усилитель Догерти
Классический усилитель Догерти (рисунок 2), который можно классифицировать как архитектуру модуляции нагрузки, на самом деле состоит из двух усилителей: усилителя несущей, смещенного для работы в режиме класса AB, и пикового усилителя, смещенного в режим класса C. Делитель мощности делит входной сигнал поровну на каждый усилитель с разностью фаз 90 °. После усиления сигнал повторно синтезируется через силовой ответвитель. Два усилителя работают одновременно, когда входной сигнал находится на пике, и каждый ведет себя как сопротивление нагрузки, чтобы максимизировать выходную мощность.
Однако при падении мощности входного сигнала пиковый усилитель класса C отключается, и только усилитель несущей класса AB продолжает работать. На более низких уровнях мощности усилитель несущей класса AB ведет себя как модулированный импеданс нагрузки для повышения эффективности и усиления. Благодаря обновленной жизнеспособности архитектуры, конструкция усилителя Doherty достигла значительного прогресса в быстрых итерациях и достигла большого успеха.
Конечно, нет идеальной архитектуры. Линейность и выходная мощность усилителя Догерти немного хуже, чем у усилителя двойного класса AB. Это подводит нас к еще одной важной схеме, которая стала незаменимым выбором в сегодняшней коммуникационной среде: аналоговая и цифровая технология линеаризации. Наиболее широко используемая технология - цифровое предыскажение (DPD), иногда в сочетании с уменьшением амплитуды (CFR). Как DPD, так и CFR могут значительно уменьшить искажения Доэрти, а тщательная конструкция устройства и усилителя может минимизировать потери линейности. Однако они не строго определены для использования в усилителях Догерти, и их эффекты довольно очевидны при использовании в других структурах усилителей.
1. Улучшение линейности
Современная технология цифровой модуляции требует, чтобы линейность усилителя была достаточно высокой, иначе возникнут интермодуляционные искажения и качество сигнала снизится. К сожалению, когда усилители работают наилучшим образом, все они близки к своему уровню насыщения. Позже они становятся нелинейными, выходная ВЧ-мощность падает по мере увеличения входной мощности и начинают появляться значительные искажения. Это искажение может вызвать перекрестные помехи между соседними каналами или услугами. В результате разработчики обычно снижают выходную мощность РЧ до «безопасной зоны» для обеспечения линейности. Когда они это делают, для достижения заданной выходной мощности РЧ необходимы несколько ВЧ-транзисторов, что увеличит потребление тока и приведет к сокращению срока службы батарей или увеличению эксплуатационных расходов на базовых станциях.
DPD эффективно вводит "анти-искажение" на входе усилителя, устраняя нелинейность усилителя. В результате усилителю не нужно возвращаться к оптимальной рабочей точке, и, следовательно, больше не требуются ВЧ-устройства. По мере того, как усилители становятся более эффективными, выгодами являются снижение затрат на охлаждение и всего важного энергопотребления. Когда CFR работает, искажение постоянно проверяется путем уменьшения отношения пикового к среднему входного сигнала. Этот метод снижает пиковое значение сигнала, так что сигнал не вызывает клиппирования или искажений при прохождении через усилитель. Когда DPD и CFR используются вместе, можно достичь большего усиления.
2. Метод противофазного усилителя мощности.
Другая технология - это запатентованная технология, изобретенная и реализованная Анри Шире почти 80 лет назад. Обычно это называется «смещением фазы» (смещение фазы усилителя мощности, входящее в семейство технологий модуляции нагрузки). В настоящее время он используется Fujitsu, NXP и др. Для повышения эффективности усилителя. Он объединяет в себе два нелинейных усилителя мощности РЧ, которые управляются сигналами разных фаз. Поскольку фаза регулируется, когда выходной сигнал связан, использование ВЧ-усилителей мощности класса B может обеспечить повышение эффективности. Тщательные методы проектирования, особенно выбор соответствующего реактивного сопротивления, могут оптимизировать систему до определенной выходной амплитуды, что приведет к двукратному увеличению эффективности (по крайней мере, теоретически).
В прошлом году Fujitsu объявила, что применила метод сдвига фазы в определенных усилителях мощности, интегрировав компактную схему связи мощности с низкими потерями и схему компенсации фазовой ошибки на основе DSP, что составляет 65% общего времени передачи существующие усилители. , Время передачи усилителя может превышать 95%. Для проверки конструкции пиковая выходная мощность этого усилителя мощности может достигать 100 Вт; средний электрический КПД увеличен с 50% до 70%.
Входной сигнал делится на два сигнала с постоянными изменениями амплитуды и фазы. Амплитуда устанавливается в соответствии с устройством РЧ мощности, и схема связи мощности восстанавливает форму сигнала источника. Ранее, когда сигнал источника восстанавливался, потеря точности связи требовалась для определения разности фаз, что препятствовало коммерциализации этой технологии. Соединитель, используемый Fujitsu, имеет более короткий путь прохождения сигнала, что снижает потери и увеличивает полосу пропускания.
3. Перспективные разработки NXP
Вариант механизма сдвига фазы без эффекта модуляции нагрузки называется линейным усилителем нелинейной концепции (LINC), который использует отдельный каскад ответвителя и усилителя для перехода к насыщению и может эффективно улучшить линейность и пиковую эффективность. Однако эффективность усилителей LINC относительно низка, потому что каждый усилитель работает с постоянной мощностью даже при низких уровнях выходного радиочастотного сигнала. Компания Chireix исправила это, объединив сдвиг фазы с неразделенным ответвителем и модуляцией нагрузки для повышения средней эффективности. Компания NXP Semiconductors сделала дальнейшее усовершенствование, использовав сдвиг фазы для управления двумя переключаемыми РЧ-усилителями для адаптации их к сигналам с высоким коэффициентом амплитуды. Компания комбинирует технологию Chireixoutphasing с коммутирующими усилителями класса E GaN HEMT (рис. 3).
Рисунок 3: Упрощенная структурная схема усилителя мощности в противофазе Chireix
Новая технология драйвера, разработанная и запатентованная NXP, позволяет усилителю достичь высокого КПД в полосе пропускания примерно 25% за счет управления фазовым соотношением. Это привело к новой архитектуре, сочетающей усилители класса E и модуляцию нагрузки для поддержания высокой эффективности усилителей при выходе из насыщения, что позволяет им адаптироваться к различным сложным формам сигналов. Компания NXP предоставила эталонный дизайн ВЧ усилителя мощности E-класса на основе устройств GaN и приложила техническую информацию, относящуюся к Chireix.
4. Отслеживание конвертов
Еще одна ключевая технология, на которую обращают внимание разработчики усилителей, - это отслеживание огибающей. В этой технологии напряжение, подаваемое на усилитель мощности, постоянно регулируется, чтобы гарантировать, что он работает в пиковой области, чтобы максимизировать мощность. По сравнению с фиксированным напряжением, обеспечиваемым преобразователем постоянного тока в типовой конструкции усилителя мощности, источник питания с отслеживанием огибающей модулирует источник питания, подключенный к усилителю, с помощью широкополосного сигнала с низким уровнем шума, который синхронизируется с мгновенной огибающей. сигнал.
Использование технологии отслеживания огибающей в устройствах питания КМОП ВЧ имеет большую привлекательность. Nujira разрабатывает эту технологию много лет. Они показали, что эта технология может преодолеть недостатки, вызванные нелинейностями в КМОП-усилителях ВЧ. КМОП-усилители мощности подвергались критике как плохой выбор для современной технологии модуляции с высокой PAR из-за присущей им плохой линейности, которая требует от них отката для уменьшения искажений. Когда КМОП-усилители работают с более высокими уровнями мощности РЧ, возникают клиппирование и искажения.
Однако Nujira сочетает в себе запатентованную технологию линеаризации ISOGAIN с собственной технологией отслеживания огибающей для устранения проблем с линейностью без использования DPD. Оборудование, использующее эту технологию, достигло цели высокой эффективности и достигло тех же характеристик, что и GaAs в других аспектах. Огромным преимуществом всех исследований КМОП-усилителей является то, что КМОП-устройства повсеместно распространены во всей электронной промышленности, поддерживаются многими производителями, поэтому они относительно дешевы. Поскольку он основан на кремнии, также можно напрямую интегрировать схемы управления и смещения в микросхему усилителя мощности.
5. Другие совершенно другие методы
Еще одна технология усилителей была предложена Eta Devices, компанией, выделившейся из Массачусетского технологического института, и была основана двумя профессорами электротехники Джоэлом Доусоном и Дэвидом Перро, а также бывшим исследователем усилителей из Ericsson и Huawei. Технология асимметричного многоуровневого вывода из фазы (AMO) была разработана Массачусетским технологическим институтом, который был совместно инвестирован соучредителем ADI Рэем Стата и его фирмой венчурного капитала Stata Venture Partners.
Основная цель компании - развивающиеся рынки, включая 640,000 15 базовых станций с дизельными генераторами, которые стоят 5 миллиардов долларов США в год в пересчете на топливо, за которыми следует рынок смартфонов. В феврале этого года Eta Devices продемонстрировала свое оборудование Eta80 на секции Advanced LTE Всемирного конгресса по мобильной связи в Барселоне, Испания. Канал передачи оборудования превышает XNUMX МГц.
Eta Devices смело заявила, что ее технология ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking), как ожидается, снизит затраты на электроэнергию базовых станций на 50%. Он также утверждает, что может удвоить время автономной работы смартфонов. Предполагается, что силовой ВЧ транзистор усилителя потребляет мощность одновременно в режиме ожидания и режиме передачи, и единственный способ повысить эффективность - снизить мощность в режиме ожидания до минимально возможного уровня.
Переключение между режимом ожидания с низким энергопотреблением и высокой выходной мощностью вызовет искажения. Существующие системы должны поддерживать высокий уровень мощности в режиме ожидания, чтобы постоянно обнаруживать это состояние за счет высокого энергопотребления. Подход Eta Devices заключается в выборе напряжения, которое потребляет наименьшее энергопотребление на транзисторе, путем выборки до 20 миллионов раз в секунду.
Другая проблема заключается в том, что компания объяснила, что требования LTE Advanced и полосы пропускания 100 МГц создадут огромный спрос на усилители мощности RF. Одно только отслеживание огибающей не может адаптироваться к этой ситуации, потому что оно не может поддерживать каналы шире 40 МГц. По заявлению компании, ETAdvanced поддерживает каналы до 160 МГц, поэтому может соответствовать как LTE-Advanced, так и 802.11ac Wi-Fi. Базовые станции, использующие эту технологию, могут быть очень небольшими, и компания утверждает, что она разработала первый передатчик LTE со средней эффективностью более 70%.
6. Резюме
Если вы полностью опишете текущую работу, направленную на повышение эффективности ВЧ-мощности, вы сможете написать большую книгу. Это содержание не ограничивается рамками, обсуждаемыми в этой статье, но также включает использование различных типов усилителей и поддерживающих технологий. Комбинация этих технологий может дать значимые результаты. Независимо от достигнутого прогресса, несомненно, что до тех пор, пока сохраняется потребность в более высоких скоростях передачи данных, поиск более высокой эффективности будет продолжаться.
Наш другой продукт:
