Hvordan forbedres effektiviteten af RF-forstærker?
De grundlæggende love inden for termodynamik afslører, at intet elektronisk udstyr kan opnå 100% effektivitet - skønt skifte strømforsyninger er relativt tæt (op til 98%). Desværre er enhver enhed, der genererer RF-strøm, i øjeblikket ikke i stand til at opnå eller tæt på den ideelle ydelse, fordi der er for mange defekter i processen med at konvertere jævnstrøm til RF-produkteffekt, inklusive tabet forårsaget af hele signalvejstransmissionen, til driftsfrekvensen Tidstab og enhedens karakteristiske tab. Som et resultat kommenterede en artikel i MIT Technology Review uhøjtideligt RF-forstærkeren: "Det er en meget ineffektiv hardware."
Ikke overraskende bruger hvert aspekt af producenter af RF-effektprodukter, fra halvledere til forstærkere til sendere, såvel som universiteter og forsvarsministeriet hvert år meget tid og økonomiske ressourcer på at forbedre effektiviteten af RF-strømforsyninger. Der er gode grunde til dette: selv en lille stigning i effektivitet kan forlænge batteridrevne produkters arbejdstid og reducere det årlige strømforbrug for trådløse basestationer. Figur 1 viser andelen af RF-delen til basestationens samlede strømforbrug.
Figur 1: Tilføjelse af de relevante dele af forskellige radiofrekvensprodukter i basisstationens strømforbrug, det endelige resultat vil være ret stort.
Heldigvis ændres disse forhold gradvis efter år med kontinuerlig indsats for at forbedre RF-effektiviteten. Nogle af disse opgaver er på enhedsniveau, mens andre bruger nogle innovative teknologier, såsom konvolutsporing, ordninger for digital forfordeling / crestfaktorreduktion og brugen af forstærkere, der er mere avancerede end almindelige AB-niveauer.
Et stort skift i forstærkerdesign er Doherty-arkitekturen, der er blevet standarden for basestationsforstærkere inden for 5 år. Siden Dr. Doherty fra Bell Laboratories (som derefter blev en del af Westinghouse Electric) opfandt denne arkitektur i 1936, har den været tavs det meste af tiden og er kun blevet brugt i få applikationer.
Dohertys forskning har skabt en ny forstærkerstruktur, der kan yde ekstremt høj effektivitetseffekt, når indgangssignalet har et meget højt top-til-gennemsnit-forhold (PAR). Faktisk, hvis de er korrekt designet, kan effektiviteten af Doherty forstærkere øges med 11% til 14% sammenlignet med standard parallel klasse AB forstærkere.
Naturligvis har mange få signaler i mange år efter 1936 disse egenskaber, såsom AM og FM, der bruger moduleringsordninger i kommunikationssystemer. På nuværende tidspunkt genererer næsten ethvert trådløst system høje PAR-signaler, fra WCDMA til CDMA2000 til ethvert system, der bruger ortogonal frekvensdelingsmultiplexing (OFDM), såsom WiMAX, LTE og for nylig Wi-Fi.
Figur 2: En typisk Doherty-forstærker
Den klassiske Doherty-forstærker (figur 2), som kan klassificeres som en belastningsmodulationsarkitektur, er faktisk sammensat af to forstærkere: en bærerforstærker, der er forudindtaget til at fungere i klasse AB-tilstand, og en spidsforstærker, der er forspændt til klasse C-tilstand. En effektdeler deler indgangssignalet ligeligt til hver forstærker med en 90 ° faseforskel. Efter forstærkning syntetiseres signalet gennem strømkoblingen. De to forstærkere fungerer på samme tid, når indgangssignalet er på sit højeste, og hver opfører sig som en belastningsimpedans for at maksimere udgangseffekten.
Når indgangssignalets effekt falder, er Class C-topforstærker imidlertid slukket, og kun Class AB-bærerforstærker fungerer stadig. Ved lavere effektniveauer opfører Class AB-bærerforstærker sig som en moduleret belastningsimpedans for at forbedre effektivitet og forstærkning. Med arkitekturens fornyede vitalitet har Doherty-forstærkerdesignet gjort betydelige fremskridt i hurtige iterationer og opnået stor succes.
Selvfølgelig er ingen arkitektur perfekt. Doherty-forstærkerens linearitet og udgangseffekt er lidt dårligere end AB-forstærkeren i dobbelt klasse. Dette bringer os endnu et vigtigt kredsløb, der er blevet et uundværligt valg i dagens kommunikationsmiljø: analog og digital lineariseringsteknologi. Den mest anvendte af denne teknologi er digital forvrængning (DPD), undertiden kombineret med crest factor reduction (CFR). Både DPD og CFR kan i høj grad reducere Dohertys forvrængning, og omhyggeligt udstyrs- og forstærkerdesign kan minimere linearitetstab. Imidlertid er de ikke strengt defineret til brug i Doherty-forstærkere, og deres virkninger er ret tydelige, når de bruges i andre forstærkerstrukturer.
1. Forbedre linearitet
Moderne digital modulationsteknologi kræver, at forstærkerens linearitet er tilstrækkelig høj, ellers vil intermodulationsforvrængning forekomme, og signalkvaliteten reduceres. Desværre, når forstærkerne fungerer bedst, er de alle tæt på deres mætningsniveauer. Senere bliver de ikke-lineære, RF-effektudgangen falder, når inputeffekten øges, og der opstår betydelige forvrængninger. Denne forvrængning kan forårsage krydstale mellem tilstødende kanaler eller tjenester. Som et resultat afbryder designere normalt RF-udgangseffekten til en "sikker zone" for at sikre linearitet. Når de gør dette, er flere RF-transistorer nødvendige for at opnå en given RF-udgangseffekt, hvilket øger strømforbruget og resulterer i kortere batterilevetid eller højere driftsomkostninger i basestationer.
DPD introducerer effektivt "anti-forvrængning" ved forstærkerens indgang, hvilket eliminerer forstærkerens ikke-linearitet. Som et resultat behøver forstærkeren ikke at falde tilbage til det optimale driftspunkt, og der kræves således ikke flere RF-strømudstyr. Efterhånden som forstærkere bliver mere effektive, er fordelene reducerede køleomkostninger og alt vigtigt strømforbrug. Når CFR fungerer, kontrolleres forvrængningen kontinuerligt ved at reducere indgangssignalets top-til-gennemsnit-forhold. Denne metode reducerer signalets spidsværdi, så signalet ikke forårsager klipning eller forvrængning, når det passerer gennem forstærkeren. Når DPD og CFR bruges sammen, kan der opnås større gevinst.
2. Ufor-fase effektforstærker metode
En anden teknologi er en patenteret teknologi, der blev opfundet og holdt af Henri Chireix for næsten 80 år siden. Det kaldes normalt "outphasing" (outphasing effektforstærker, et medlem af belastningsmodulationsteknologifamilien). Det bruges i øjeblikket af Fujitsu, NXP osv. For at forbedre forstærkerens effektivitet. Den kombinerer to ikke-lineære RF-forstærkere, som drives af signaler fra forskellige faser. Da fasen styres, når udgangssignalet er koblet, kan brugen af klasse B RF-forstærkere opnå effektivitetsgevinster. Omhyggelige designteknikker, især valg af passende reaktans, kan optimere systemet til en bestemt outputamplitude, hvilket vil medføre dobbelt så høj effektivitetsforøgelse (i det mindste i teorien).
Fujitsu annoncerede sidste år, at den har vedtaget metoden til fremhævning i en bestemt effektforstærker, der integrerer et kompakt, koblingskredsløb med lavt tab og med et DSP-baseret fasekorrigeringskredsløb, som er 65% af transmissionstiden, der er fælles for eksisterende forstærkere. , Forstærkerens transmissionstid kan overstige 95%. For at teste designet kan topeffekten af denne effektforstærker nå 100 watt; den gennemsnitlige elektriske effektivitet øges fra 50% til 70%.
Indgangssignalet er opdelt i to signaler med konstant amplitude og faseændringer. Amplituden indstilles i henhold til RF-strømindretningen, og effektkoblingskredsløbet rekonstruerer kildesignalbølgeformen. Tidligere, da kildesignalet blev rekonstrueret, var tabet af koblingsnøjagtighed nødvendigt for at bestemme faseforskellen, hvilket forhindrede kommercialisering af denne teknologi. Koblingen, der bruges af Fujitsu, har en kortere signalvej, hvilket reducerer tab og øger båndbredden.
3. NXP's lovende udvikling
En variant af Outphasing-mekanismen uden belastningsmodulationseffekt kaldes Linear Amplifier of Nonlinear Concept (LINC), som bruger en separat kobler- og forstærkertrin til at køre til mætning og effektivt kan forbedre linearitet og topeffektivitet. Effektiviteten af LINC-forstærkere er imidlertid relativt lav, fordi hver forstærker fungerer ved en konstant effekt, selv ved lave RF-udgangsniveauer. Chireix korrigerede dette ved at kombinere outphasing med en ikke-adskilt kobling og belastningsmodulation for at øge den gennemsnitlige effektivitet. NXP Semiconductors har foretaget en yderligere forbedring ved at bruge understregning til at styre to switch-mode RF-forstærkere for at tilpasse dem til signaler med høj crestfaktor. Virksomheden kombinerer Chireixoutphasing-teknologi med GaN HEMT-switch klasse E-forstærkere (figur 3).
Figur 3: Forenklet Chireix out-of-phase effektforstærker blokdiagram
Den nye driverteknologi udviklet og patenteret af NXP gør det muligt for forstærkeren at opnå høj effektivitet over en båndbredde på ca. 25% ved at kontrollere faseforholdet. Dette har ført til en ny arkitektur, der kombinerer klasse E forstærkere og belastningsmodulation for at opretholde forstærkernes høje effektivitet, når de forlader mætning, hvilket giver dem mulighed for at tilpasse sig forskellige komplekse bølgeformer. NXP leverede et referencedesign til E-klasse RF-forstærker baseret på GaN-enheder og vedhæftede Chireix-relaterede tekniske oplysninger.
4. Konvoluttsporing
En anden nøgleteknologi, som forstærkerdesignere er opmærksomme på, er konvoluttsporing. I denne teknologi justeres spændingen på effektforstærkeren kontinuerligt for at sikre, at den fungerer i topområdet for at maksimere effekten. Sammenlignet med den faste spænding, der leveres af DC-DC-konverteren i et typisk effektforstærkerdesign, modulerer kuvertsporingsstrømforsyningen strømforsyningen, der er forbundet til forstærkeren med en bølgeform med høj båndbredde, lav støj, som synkroniseres med den øjeblikkelige kuvert signal.
Anvendelsen af konvolutsporingsteknologi i CMOS RF-enheder har stor appel. Nujira har udviklet denne teknologi i mange år. De har vist, at denne teknologi kan overvinde manglerne forårsaget af ikke-lineariteter i CMOS RF-forstærkerapplikationer. CMOS-effektforstærkere er blevet kritiseret som et dårligt valg for den nuværende høje PAR-moduleringsteknologi på grund af deres iboende dårlige linearitet, hvilket kræver, at de falder tilbage for at reducere forvrængning. Når CMOS-forstærkere betjenes ved højere RF-effektniveauer, opstår der klipning og forvrængning.
Nujira kombinerer imidlertid sin patenterede ISOGAIN-lineariseringsteknologi i sin proprietære kuvertsporingsteknologi for at eliminere linearitetsproblemer uden at bruge DPD. Udstyret, der bruger denne teknologi, har nået målet om høj effektivitet og har opnået den samme ydeevne som GaA'er i andre aspekter. En stor fordel ved al forskning på CMOS-forstærkere er, at CMOS-enheder er allestedsnærværende i hele elektronikindustrien, understøttet af mange støberier, så de er relativt billige. Fordi det er baseret på silicium, er det også muligt direkte at integrere kontrol- og forspændingskredsløb på effektforstærkerchippen.
5. Andre helt forskellige metoder
En anden forstærkerteknologi blev anbefalet af Eta Devices, et firma, der blev udskilt fra Massachusetts Institute of Technology, og blev medstifter af to elektroteknikprofessorer Joel Dawson og David Perreault og en tidligere forstærkerforsker fra Ericsson og Huawei. Dens Asymmetric Multi-Level Outphasing (AMO) teknologi blev udviklet af MIT, som blev investeret i fællesskab af ADI medstifter Ray Stata og hans venturekapitalfirma Stata Venture Partners.
Virksomhedens primære mål er nye markeder, der inkluderer så mange som 640,000 dieselgeneratorbasestationer, der koster 15 milliarder dollars om året i brændstof, efterfulgt af smartphone-markedet. I februar i år demonstrerede Eta Devices sit Eta5-udstyr på Advanced LTE-sektionen under Mobile Communications World Congress i Barcelona, Spanien. Udstyrets transmissionskanal overstiger 80 MHz.
Eta Devices erklærede modigt, at dets ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) teknologi forventes at reducere basisstations energiomkostninger med 50%. Det hævder også, at det kan fordoble batteriets levetid på smartphones. Udgangspunktet er, at forstærkerens RF-effekttransistor bruger strømforbruget samtidigt i standbytilstand og sendetilstand, og den eneste måde at forbedre effektiviteten er at reducere standbyeffekten til det lavest mulige niveau.
Skift mellem standbytilstand med lavt strømforbrug og høj effekt vil medføre forvrængning. Eksisterende systemer har brug for at opretholde et højt standbyeffektniveau for kontinuerligt at opdage denne tilstand på bekostning af højt strømforbrug. Eta Devices 'tilgang er at vælge den spænding, der bruger det laveste strømforbrug på tværs af transistoren ved at prøve op til 20 millioner gange i sekundet.
Et andet problem er, at virksomheden forklarede, at kravene til LTE Advanced og 100 MHz båndbredde vil skabe stor efterspørgsel efter RF-forstærkere. Konvoluttsporing alene kan ikke tilpasse sig denne situation, fordi den ikke understøtter kanaler, der er bredere end 40 MHz. Ifølge firmaet understøtter ETAdvanced kanaler op til 160 MHz, så det kan imødekomme både LTE-Advanced og 802.11ac Wi-Fi. Basestationer, der bruger dets teknologi, kan være meget små, og virksomheden hævder, at den har udviklet den første LTE-sender med en gennemsnitlig effektivitet på mere end 70%.
6. Resumé
Hvis du fuldt ud beskriver det nuværende arbejde, der er udført for at forbedre RF-energieffektivitet, kan du skrive en stor bog. Dette indhold er ikke begrænset til det omfang, der er diskuteret i denne artikel, men inkluderer også brugen af forskellige typer forstærkere og understøttende teknologier. Kombinationen af disse teknologier kan give meningsfulde resultater. Uanset hvor store fremskridt der gøres, er det sikkert, at så længe efterspørgslen efter højere datahastigheder stadig eksisterer, vil søgen efter højere effektivitet fortsætte.
Vores andet produkt:
