כיצד לשפר את היעילות של מגבר RF?

החוקים הבסיסיים של התרמודינמיקה מגלים כי שום ציוד אלקטרוני לא יכול להשיג יעילות של 100% - אם כי ספקי כוח מיתוג קרובים יחסית (עד 98%). למרבה הצער, כל מכשיר שמייצר כוח RF אינו יכול להשיג או קרוב לביצועים האידיאליים מכיוון שישנם פגמים רבים מדי בתהליך המרת כוח DC לעוצמת מוצר RF, כולל האובדן שנגרם על ידי העברת נתיב האות כולה, תדר ההפעלה הפסד זמן, ואובדן האופייני האינהרנטי של המכשיר. כתוצאה מכך, מאמר ב- MIT Technology Review התייחס בצורה לא טקסית למגבר הספק ה- RF, "זו חומרה מאוד לא יעילה."

באופן לא מפתיע, כל היבט של יצרני מוצרי חשמל RF, ממוליכים למחצה ועד מגברים ועד משדרים, כמו גם אוניברסיטאות ומשרד ההגנה, מוציאים זמן רב ומשאבים כספיים מדי שנה לשיפור היעילות של מכשירי כוח RF. יש לכך סיבות טובות: אפילו עלייה קלה ביעילות יכולה להאריך את זמן העבודה של מוצרים המופעלים על ידי סוללות ולהפחית את צריכת החשמל השנתית של תחנות בסיס אלחוטיות. איור 1 מראה את החלק של חלק ה- RF לצריכת החשמל הכוללת של תחנת הבסיס.

איור 1: הוספת החלקים הרלוונטיים של מוצרי תדר רדיו שונים בצריכת החשמל של תחנת הבסיס, התוצאה הסופית תהיה גדולה למדי.

למרבה המזל, לאחר שנים של מאמצים רצופים לשיפור יעילות ה- RF, תנאים אלה משתנים בהדרגה. חלק מהמטלות הללו הן ברמת המכשיר, בעוד שאחרות משתמשות בטכנולוגיות חדשניות מסוימות, כגון מעקב אחר מעטפות, תוכניות הפחתה של עיכוב דיגיטלי / הפחתת גורמי פסגה ושימוש במגברים מתקדמים יותר מרמות AB נפוצות.

שינוי משמעותי בתכנון המגברים הוא ארכיטקטורת Doherty, שהפכה לסטנדרט של מגברי תחנות בסיס תוך 5 שנים. מאז שהמציא ד"ר דוהרטי ממעבדות בל (שהפכה אז לחלק מווסטינגהאוס אלקטריק) בשנת 1936, הוא שתק במשך רוב הזמן והיה בשימוש רק בכמה יישומים.

המחקר של דוהרטי יצר מבנה מגברים חדש שיכול לספק יעילות תוספת גבוהה במיוחד כאשר לאות הכניסה יש יחס שיא-ממוצע גבוה מאוד (PAR). למעשה, אם הם מתוכננים כראוי, ניתן להגדיל את היעילות של מגברי הדוהרטי ב -11% ל -14% בהשוואה למגברים סטנדרטיים מקבילים מסוג AB.

כמובן, במשך שנים רבות לאחר 1936, רק כמה סוגים של אותות הם בעלי מאפיינים אלה, כגון AM ו- FM, המשתמשים בתכניות אפנון במערכות תקשורת. נכון לעכשיו, כמעט כל מערכת אלחוטית מייצרת אותות PAR גבוהים, מ- WCDMA ל- CDMA2000 לכל מערכת המשתמשת בריבוי חלוקת תדרים אורתוגונלית (OFDM), כגון WiMAX, LTE, ולאחרונה, Wi-Fi.

איור 2: מגבר דוהרטי טיפוסי

מגבר Doherty הקלאסי (איור 2), שניתן לסווג כארכיטקטורת אפנון עומס, מורכב למעשה משני מגברים: מגבר נשא מוטה לפעול במצב Class AB, ומגבר שיא מוטה למצב Class C. מחלק כוח מחלק את אות הכניסה באופן שווה לכל מגבר בהפרש פאזה של 90 °. לאחר הגברה, האות מסונתז מחדש דרך מצמד הכוח. שני המגברים פועלים במקביל כאשר אות הכניסה בשיאו, וכל אחד מהם מתנהג כמעכב עומס כדי למקסם את כוח המוצא.

עם זאת, כאשר עוצמת אות הכניסה צונחת, מגבר השיא Class C כבוי, ורק מגבר הספק Class AB עדיין עובד. ברמות הספק נמוכות יותר, מגבר המוביל Class AB מתנהג כמעכב עומס מווסת לשיפור היעילות והרווח. עם החיוניות המחודשת של הארכיטקטורה, עיצוב מגברי הדוהרטי התקדם משמעותית באיטרציות מהירות וזכה להצלחה רבה.

כמובן, שום אדריכלות אינה מושלמת. הליניאריות ועוצמת הפלט של מגבר הדוהרטי גרועות מעט יותר ממגבר AB כפול. זה מביא לנו מעגל חשוב נוסף שהפך לבחירה הכרחית בסביבת התקשורת של ימינו: טכנולוגיית לינאריה אנלוגית ודיגיטלית. השימוש הנפוץ ביותר בטכנולוגיה זו הוא עיוות דיגיטלי (DPD), לפעמים בשילוב עם הפחתת גורם פסגה (CFR). גם DPD וגם CFR יכולים להפחית מאוד את העיוות של דוהרטי, ועיצוב מכשיר ומגבר זהיר יכול למזער את אובדן הליניאריות. עם זאת, הם אינם מוגדרים בקפידה לשימוש במגברים של דוהרטי, וההשפעות שלהם ניכרות לעין כאשר משתמשים במבני מגברים אחרים.

1. שפר את הליניאריות

טכנולוגיית המודולציה הדיגיטלית המודרנית מחייבת שהליניאריות של המגבר תהיה גבוהה מספיק, אחרת יתרחש עיוות בין-מודולציה ואיכות האות תפחת. למרבה הצער, כאשר המגברים מופיעים במיטבם, כולם קרובים לרמות הרוויה שלהם. מאוחר יותר הם הופכים ללא ליניאריים, תפוקת ה- RF יורדת ככל שעוצמת הקלט גדלה ועיוותים משמעותיים מתחילים להופיע. עיוות זה עלול לגרום לשיחות בין ערוצים או שירותים סמוכים. כתוצאה מכך, מעצבים בדרך כלל מגבים את כוח הפלט של ה- RF ל"אזור בטוח "כדי להבטיח ליניאריות. כאשר הם עושים זאת, יש צורך בטרנזיסטורי RF מרובים בכדי להשיג הספק יציאה RF נתון, שיגדיל את צריכת הזרם ויגרום לחיי סוללה קצרים יותר או עלויות תפעול גבוהות יותר בתחנות הבסיס.

DPD מציגה למעשה "אנטי-עיוות" בכניסה של המגבר, ומבטלת את אי-הליניות של המגבר. כתוצאה מכך, המגבר אינו צריך לחזור לנקודת ההפעלה האופטימלית, ולכן אין צורך בהתקני כוח RF נוספים. ככל שהמגברים יעילים יותר, היתרונות הם מופחתים בעלויות הקירור ובכל צריכת החשמל החשובה. כאשר CFR עובד, העיוות נבדק ברציפות על ידי הקטנת יחס השיא לממוצע של אות הקלט. שיטה זו מפחיתה את ערך השיא של האות כך שהאות לא יגרום לגזירה או עיוות בעת המעבר דרך המגבר. כאשר משתמשים ב- DPD ו- CFR יחד, ניתן להשיג רווח גדול יותר.
2. שיטת מגבר כוח מחוץ לשלב

טכנולוגיה נוספת היא טכנולוגיית פטנט שהומצאה והחזיקה על ידי אנרי צ'יריקס לפני כמעט 80 שנה. בדרך כלל קוראים לזה "outphasing" (מגבר כוח הדגשה, בן למשפחת טכנולוגיות אפנון העומס). הוא משמש כיום על ידי פוג'יטסו, NXP וכו 'כדי לשפר את יעילות המגברים. הוא משלב שני מגברי הספק RF לא לינאריים, המונעים על ידי אותות משלבים שונים. מכיוון שהשלב נשלט, כאשר מצמד האות המוצא, השימוש במגברי הספק RF מסוג B יכול להשיג רווחי יעילות. טכניקות תכנון קפדניות, ובמיוחד בחירת התגובה המתאימה, יכולות לייעל את המערכת למשרעת פלט ספציפית, שתביא להגדלת היעילות כפליים (לפחות בתיאוריה).

פוג'יטסו הודיעה בשנה שעברה כי היא אימצה את שיטת ההדגשה במגבר הספק מסוים, המשלב מעגל צימוד כוח קומפקטי ואובדן נמוך, ועם מעגל פיצוי תיקון שגיאות פאזה מבוסס DSP, המהווה 65% מזמן השידור המשותף ל- מגברים קיימים. , זמן השידור של המגבר יכול לעלות על 95%. כדי לבדוק את העיצוב, תפוקת השיא של מגבר הספק זה יכולה להגיע ל -100 וואט; היעילות החשמלית הממוצעת מוגברת מ -50% ל -70%.

אות הקלט מחולק לשני אותות עם משרעת קבועה ושינויי פאזה. המשרעת נקבעת על פי מכשיר ההספק RF, ומעגל צימוד ההספק בונה מחדש את צורת גל המקור. בעבר, כאשר שוחזר אות המקור, אובדן דיוק צימוד נדרש לקביעת הפרש השלב, שמנע את המסחור של טכנולוגיה זו. למצמד המשמש את פוג'יטסו נתיב אות קצר יותר, המפחית אובדן ומגדיל את רוחב הפס.

3. פיתוח מבטיח של NXP

וריאציה של מנגנון ה- Outphasing ללא אפקט אפנון עומס נקראת Linear Amplifier of Nonlinear Concept (LINC), המשתמשת במצמד ומגבר נפרדים בכדי להניע לרוויה ויכולה לשפר ביעילות את הליניאריות ואת יעילות השיא. עם זאת, היעילות של מגברי LINC נמוכה יחסית, מכיוון שכל מגבר פועל בהספק קבוע, אפילו ברמות יציאת RF נמוכות. Chireix תיקן זאת על ידי שילוב של הדגשה עם מצמד שאינו מופרד ואפנון עומס כדי להגביר את היעילות הממוצעת. מוליכים למחצה של NXP ביצעו שיפור נוסף, תוך שימוש בהדגשה כדי לשלוט בשני מגברי RF למתג כדי להתאים אותם לאותות גורם פסגה גבוה. החברה משלבת טכנולוגיית Chireixoutphasing עם מגברי מיתוג Class E של GaN HEMT (איור 3).

איור 3: דיאגרמת בלוק מגבר כוח של Chireix מפושטת

טכנולוגיית הדרייבר החדשה שפותחה ופטנטה על ידי NXP מאפשרת למגבר להשיג יעילות גבוהה ברוחב פס של כ- 25% על ידי שליטה ביחסי הפאזה. זה הוביל לארכיטקטורה חדשה המשלבת מגברי Class E ואפנון עומסים כדי לשמור על היעילות הגבוהה של המגברים כאשר הם יוצאים מהרוויה, מה שמאפשר להם להסתגל לצורות גל מורכבות שונות. NXP סיפקה תכנון הפניה למגבר הספק RF מסוג E המבוסס על מכשירי GaN, וצירפה מידע טכני הקשור ל- Chireix.

4. מעקב אחר מעטפות

טכנולוגיה מרכזית נוספת שעליה מעצבי המגברים שמים לב היא מעקב אחר מעטפות. בטכנולוגיה זו, המתח המופעל על מגבר הכוח מותאם ברציפות על מנת להבטיח שהוא פועל באזור השיא בכדי למקסם את ההספק. בהשוואה למתח הקבוע המסופק על ידי ממיר DC-DC בתכנון מגבר הספק אופייני, ספק הכוח למעקב אחר המעטפות מווסת את אספקת החשמל המחוברת למגבר עם צורת גל ברוחב פס גבוה ורעש נמוך, המסונכרן עם המעטפה המיידית. אוֹת.

השימוש בטכנולוגיית מעקב אחר מעטפות במכשירי חשמל של CMOS RF מושך מאוד. נוג'ירה מפתחת טכנולוגיה זו כבר שנים רבות. הם הראו כי טכנולוגיה זו יכולה להתגבר על החסרונות הנגרמים על ידי אי ליניאריות ביישומי מגבר RF. מגברי הספק של CMOS זכו לביקורת כבחירה גרועה לטכנולוגיית אפנון PAR גבוהה כיום בגלל הליניאריות הירודה הטבועה בהם, המחייבת אותם ליפול לאחור כדי להפחית את העיוות. כאשר מגברי CMOS מופעלים ברמות הספק RF גבוהות יותר, יתרחש גזירה ועיוות.

עם זאת, Nujira משלבת את פטנט טכנולוגיית הליניאריזציה ISOGAIN בטכנולוגיית מעקב המעטפות הקניינית שלה כדי למנוע בעיות ליניאריות מבלי להשתמש ב- DPD. הציוד המשתמש בטכנולוגיה זו הגיע למטרה של יעילות גבוהה והשיג ביצועים זהים לזה של GaA בהיבטים אחרים. יתרון עצום של כל המחקרים על מגברי CMOS הוא שמכשירי CMOS נמצאים בכל מקום בתעשיית האלקטרוניקה, הנתמכים על ידי בתי יציקה רבים, ולכן הם זולים יחסית. מכיוון שהוא מבוסס על סיליקון, ניתן גם לשלב ישירות מעגלי בקרה והטיה על שבב מגבר הכוח.

5. שיטות אחרות לגמרי אחרות

טכנולוגיית מגברים נוספת זכתה לתמיכה של חברת Eta Devices, חברה שהופעלה מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, והיא הוקמה על ידי שני פרופסורים להנדסת חשמל ג'ואל דוסון ודייוויד פרולט וחוקר מגברים לשעבר מאריקסון ו- Huawei. הטכנולוגיה האסימטרית שלה רב-מפלסית (AMO) פותחה על ידי MIT, שהושקעה במשותף על ידי מייסד ADI, ריי סטטה וחברת ההון סיכון שלו Stata Venture Partners.

היעד העיקרי של החברה הוא שווקים מתפתחים, כולל עד 640,000 תחנות כוח גנרטור סולר בעלות של 15 מיליארד דולר בשנה במונחי דלק, ואחריו שוק הסמארטפונים. בפברואר השנה הדגימה Eta Devices את ציוד ה- Eta5 שלה במדור LTE מתקדם בקונגרס העולמי לתקשורת סלולרית בברצלונה, ספרד. ערוץ השידור של הציוד עולה על 80 מגה-הרץ.

חברת אתא מכשירים הצהירה באומץ כי טכנולוגיית ETAdvanced (מעקב אחר מעטפות מתקדמות) צפויה להפחית את עלויות האנרגיה של תחנות הבסיס ב -50%. היא טוענת גם שהיא יכולה להכפיל את חיי הסוללה של הסמארטפונים. הנחת היסוד היא שטרנזיסטור ה- RF של המגבר צורך את צריכת החשמל בו זמנית במצב המתנה ובמצב השידור, והדרך היחידה לשפר את היעילות היא להפחית את כוח המתנה לרמה הנמוכה ביותר האפשרית.
מעבר בין מצב המתנה של צריכת חשמל נמוכה לבין תפוקת חשמל גבוהה יגרום לעיוות. מערכות קיימות צריכות לשמור על רמת הספק המתנה גבוהה על מנת לאתר באופן רציף מצב זה, במחיר של צריכת חשמל גבוהה. הגישה של אתא מכשירים היא לבחור את המתח הצורך את צריכת החשמל הנמוכה ביותר על פני הטרנזיסטור על ידי דגימה של עד 20 מיליון פעמים בשנייה.

בעיה נוספת היא שהחברה הסבירה כי דרישות רוחב הפס LTE מתקדם ו -100 מגה-הרץ ייצרו ביקוש עצום למגברי הספק RF. מעקב אחר מעטפות לבדו אינו יכול להסתגל למצב זה מכיוון שהוא אינו יכול לתמוך בערוצים רחבים מ- 40Mhz. על פי החברה, ETAdvanced תומך בערוצים של עד 160 מגה הרץ, כך שהוא יכול לענות על רשת ה- LTE-Advanced ו- 802.11ac. תחנות בסיס המשתמשות בטכנולוגיה שלה יכולות להיות קטנות מאוד, והחברה טוענת כי פיתחה את משדר ה- LTE הראשון בעל יעילות ממוצעת הגבוהה מ- 70%.

6. תקציר

אם אתה מתאר באופן מלא את העבודה הנוכחית שנעשתה לשיפור יעילות צריכת החשמל של RF, אתה יכול לכתוב ספר גדול. תכנים אלה אינם מוגבלים להיקף הנדון במאמר זה, אלא כוללים גם שימוש בסוגים שונים של מגברים וטכנולוגיות תומכות. השילוב של טכנולוגיות אלה יכול לייצר תוצאות משמעותיות. לא משנה כמה תתקדם, בטוח שכל עוד הביקוש לשיעורי נתונים גבוהים עדיין קיים, החיפוש אחר יעילות גבוהה יותר יימשך.