Viis aastat pärast seda võib traadita tööstus, nagu me seda täna teame, peaaegu täielikult ümber kujundatud. Mobiilsidevõrkudele, mis on alati tuginenud peamiselt „makro” tugijaamadele, lisandub sadu tuhandeid „väikeseid rakke”. Asjade Internetist saab reaalsuseks miljardid kasutusele traadita ühendusega andurid koos pisikeste patareitoitel töötavate transiiveritega. Ja traadita operaatorid kasutavad töösagedusi hästi spektri millimeetri laine piirkonnas, kus tänapäeval töötab vaid mõni rakendus.

Kui selles stsenaariumis on ühine teema, on vaja võimalikult suurt efektiivsust RF-transistoride ja võimendite jaoks, kuna mis tahes transiiveri edastusosa aitab märkimisväärselt kaasa üldistele tegevuskuludele, nagu on näidatud joonisel 1. Ilmselt ei Raadiosagedusvõimsust genereeriv seade võib saavutada 100% efektiivsuse, kuna alalisvoolu muundamiseks raadiosageduslikuks on liiga palju takistusi, alates signaalitee kogukulust kuni töösageduseni, seadme loomupäraste omadusteni, kui nimetada vaid mõnda.

Joonis 1: raadiosagedusega seotud komponendid aitavad märkimisväärselt kaasa kärgjaama energiatarbimisele.

Sellest hoolimata on kasu isegi efektiivsuse järkjärgulisest suurenemisest, näiteks väiksem energiatarve ja potentsiaalselt vähem spetsiifilise raadiosagedusliku väljundi edastamiseks vajalikke seadmeid (ja seega ka võimendi üldine jalajälg). Ja rakkudes ja Interneti-seadmetes on energiatarbimise vähendamine ülioluline. Seega ei tohiks üllatusena tulla, et raadiosageduslike transistoride, RF-integraallülituste (RFIC) ja monoliitsete mikrolainete integreeritud vooluahelate (MMIC) tootjad, samuti akadeemilised asutused teevad tõhususe suurendamiseks kõvasti tööd. Selle tulemuseks on suundumus suurendada raadiosageduse efektiivsust nii seadme tasemel kui ka selliste tehnikate abil nagu ümbriku jälgimine, digitaalsed moonutuseelsed / haripunktiliste tegurite vähendamise skeemid ja võimendite kõrgemad klassid väljaspool üldlevinud klassi AB.

Suurepärane näide GaN-tehnoloogia praegusest efektiivsuse potentsiaalist on Wolfspeedi CGHV14800F GaN HEMT võimsustransistor (joonis 2). Ehkki konservatiivselt hinnatakse 800 W võimsust vahemikus 1200–1400 MHz, ulatub tüüpiline jõudlus (impulsi laiusega 100 µs ja töötsükliga 5%) vahemikus 910 W sagedusel 1400 MHz, efektiivsusega 67–1 kW 1200 MHz sagedusel. kasutegur 74%. Transistor on mõeldud kasutamiseks L-sagedusala radarites lennuliikluse juhtimiseks, ilmateateks, raketitõrjesüsteemide jaoks, sihtmärkide jälgimiseks ja kaugseireks.

Joonis 2: Wolfspeedi CGHV14800F GaN HEMT saavutab L-sagedusalas äärmiselt kõrge kasuteguri kuni 74% ja raadiosagedusliku väljundvõimsusega 1 kW.

Hr Doherty tagasitulek
Oluline võimendi kujunduse muudatus, mida nüüd tugijaamavõimendites peaaegu üldiselt kasutatakse, on Doherty arhitektuur. Selle leiutas 1936. aastal WH Doherty, Bell Labs (mis oli siis Western Electricu osa) ja tootis võimendi, mis suudab anda väga suure võimsuse lisaefektiivsusele sisendsignaalidega, millel on kõrge tipu ja keskmise suhe (PAR). Kui Doherty võimendi on õigesti konstrueeritud, võib see tõhusust suurendada 11–14%, võrreldes tavaliste paralleelklassi AB võimenditega.

Kuid Doherty oli paljude aastate jooksul peaaegu uinunud leiutis, kuna sidesüsteemides kasutatavad modulatsiooniskeemid olid AM ja FM ning ainult väga vähestel signaali tüüpidel olid omadused, mille jaoks Doherty sobis hästi. Tänapäeval toodab praktiliselt iga traadita süsteem kõrge PAR-i signaale, alates WCDMA-st kuni CDMA 2000-ni, ja mis tahes süsteemi, mis kasutab ortogonaalset sagedusjaotamist (OFDM), näiteks LTE ja Wi-Fi.

Klassikaline Doherty võimendi (joonis 3), mis kuulub koormusmodulatsiooni arhitektuuride klassi, koosneb tegelikult kahest võimendist: kandevõimendist, mis on kallutatud töötama klassi AB režiimis, ja tipuvõimendist, mis on kallutatud C-klassi režiimis töötamiseks. Võimsuse jagaja jaotab sisendsignaali võrdselt iga võimendi jaoks 90 kraadi. faasi erinevus. Pärast võimendamist ühendatakse signaalid uuesti võimukombinaatoriga. Mõlemad võimendid töötavad sisendsignaali tipphetkedel ja mõlemal on koormustakistus, mis võimaldab maksimaalset väljundvõimsust.

Joonis 3: ühe otsaga klass AB, kahesuunaline Doherty võimendi.

Kui sisendsignaali võimsus väheneb, lülitub C-klassi tippvõimendi välja ja töötab ainult klassi AB kandja. Nendel madalamatel võimsustasemetel on klassi AB kandevõimendi modifitseeritud koormustakistus, mis võimaldab saavutada suuremat efektiivsust ja võimendust. Doherty võimendi kujundamisel on tehtud edusamme kiiresti, kuna arhitektuuri on uuendatud, mis on viinud selle praeguse edu saavutamiseni.

Lineariseerimise vajadus
Muidugi ei ole ükski arhitektuur täiuslik ja Doherty võimendis on lineaarsus mõnevõrra väiksem kui kahesuguse klassi AB võimendis, seega on selle parendamiseks vaja analoog- ja digitaalseid lineariseerimistehnikaid. Tänapäeval kasutatakse kõige laialdasemalt digitaalset eelmoonutust (DPD), mõnikord koos haruteguri vähendamisega (CFR). Nii DPD kui ka CFR vähendavad dramaatiliselt Doherty moonutusi ning hoolikas seadme ja võimendi disain võib vähendada lineaarsuse vähenemist. Kuid nende kasutamine pole Doherty võimendites kasutamiseks rangelt määratletud, kuna eelised on saavutatavad ka teistes võimendite arhitektuurides.

Kahjuks toimivad võimendid kõige paremini siis, kui neid juhitakse nende küllastuspunkti lähedale, misjärel muutuvad mittelineaarseks ja RF-väljundvõimsus hakkab sisendvõimsuse suurenemisega vähenema. Lisaks sellele ilmnevad märkimisväärsed moonutused, mis võivad häirida külgnevaid kanaleid või teenuseid. Selle tulemusel tagavad disainerid lineaarsuse tagamiseks tavaliselt raadiosagedusliku väljundvõimsuse "turvalisse tsooni". Kui nad seda teevad, on vaja antud raadiosagedusliku väljundvõimsuse andmiseks rohkem raadiosageduslikke transistoreid, mis omakorda suurendab voolutarvet ja vähendab aku tööaega või tugijaama, suurendades töökulusid.

DPD viib võimendi sisendisse efektiivselt "pöördmoonutused", tühistades võimendi mittelineaarsused. Selle tulemusel ei pea võimendit optimaalsest tööpunktist tagama, mis võib negatiivselt mõjutada vajadust rohkem raadiosagedusjõu seadmeid. Kuna võimendi on efektiivsem, saadakse eeliseid nii jahutuskulude vähendamisel kui ka kõige olulisemast energiatarbimisest. CFR toimib ka moonutuste kontrolli all hoidmiseks, vähendades sisendsignaalide tipu ja keskmise suhet, vähendades signaali piike, nii et signaal saaks võimendist läbi minna ilma kärpimise või moonutusteta. Kui DPD-d ja CFR-i kasutatakse koos, on sellest veelgi suurem kasu.

Laiendav lähenemisviis
Henri Chireixi ligi 80 aastat tagasi välja töötatud ja patenteeritud teist võimendi arhitektuuri nimetatakse "outphasing" ja see on näidanud oma võimet suurendada võimendi efektiivsust ja suurendada töö ribalaiust. Üldiselt kontrollib lähenemine mitme küllastunud või sisse lülitatud režiimi raadiosagedusvõimendi faasinihet, et luua moduleeritud raadiosagedusväljund. Kadudeta isoleerimata võimsuskombinaat tekitab võimendite koormuse modulatsiooni, mis moduleerib väljundit. Kuna see võib suurendada tõhusust paljudel erinevatel võimsustasemetel, sobib see hästi kasutamiseks tänapäeva kõrge PAR-ga sidesüsteemides.

Nii seadmetootjad kui ka akadeemilised ringkonnad on uurinud järkjärgulist lähenemisviisi, et kõrvaldada mõned selle puudused, millest kõige olulisem on vajadus eraldada signaal mitmeks faasi- ja amplituudmoduleeritud signaaliks. See suurendab vajalike komponentide arvu (ja seega ka kulusid), võrreldes Doherty lähenemisviisiga, mis seda eraldamist ei vaja. Kuid käimasolevad uuringud leevendavad neid probleeme, muutes selle Doherty võimendi suurepäraseks täienduseks.

Ümbriku jälgimine
Veel üks nool võimendite kujundajate vutlaris on ümbriku jälgimine, milles võimsusvõimendile rakendatavat pinget reguleeritakse pidevalt, et olla kindel, et see töötab maksimaalses tööpiirkonnas ja seega maksimaalse võimsusega. See on varasema tehnika, mida nimetatakse ümbriku eemaldamiseks ja taastamiseks (EER), väljatöötamine, mille pakkus välja LR Kahn 1952. aastal (tavaliselt nimetatakse seda Kahni meetodiks) ja mida on sellest ajast alates läbi viidud ulatuslikud uuringud.

Ümbriku jälgimise abil reguleeritakse võimendile rakendatavat toitepinget pidevalt nii, et see töötab alati maksimaalse efektiivsusega, vastupidiselt tavapärastele võimendi kujundamise tehnikatele, kus fikseeritud toitepinge töötab kõige tõhusamalt ainult kokkusurumisel. Viimane tüüp väheneb efektiivsuses haripunkti koefitsiendi suurenemisega, kuna võimendi töötab enamasti alla oma tippvõimsuse taseme ja seega maksimaalse potentsiaalse efektiivsuse.

Ümbrike jälgimisel kasutatav ümbriku teave põhineb I / Q-modemi omadustel ja saadetakse vajaliku pinge tagamiseks spetsialiseeritud toiteallikale. See tehnika võeti kiibisse esmakordselt sisse Qualcommi poolt 2013. aastal ja seda kasutatakse nüüd laialdaselt paljude tootjate nutitelefonides. Nagu kõigil tehnikatel, on ka ümbriku jälgimisel piirangud, millest üks olulisemaid on piiratud signaali ribalaius vahemikus 20–40 MHz, mis tekitab probleeme, kuna traadita juurdepääsu meetodid on aastate jooksul kasvanud mõnest megahertsist peaaegu 100 MHz-ni LTE-Advanced ja 160 MHz IEEE 802-11ac-s.

Kuid hiljutine arendus nimega Envelope Tracking Advanced (ETAdvanced) näib olevat seda probleemi leevendanud ja. Selle lõi ja patenteeris Massachusettsi tehnoloogiainstituudi spinoff nimega Eta Devices, mille asutasid MIT inseneriprofessorid David J. Perreault ja Joel Dawson, kes töötasid välja asümmeetrilise mitmetasandilise laiendamise (AMO) pärast 10 aastat kestnud uurimistööd, millel ETAdvanced põhineb. Ettevõtet rahastavad Stata Venture Partners, kelle kaaskaaslane on Ray Stata, kes on samuti asutanud analoogseadmeid. Ühiste kaaslaste hulka kuuluvad sarjaettevõtja Mattias Astrom ning nii Huawei kui ka Ericssoni juhtiv uurija ja disainer dr Mark Briffa. Nokia soetas selle eelmise aasta oktoobris.

Ettevõtte sõnul võimaldab ETAdvanced tugijaamade saatjatel saavutada suurimat efektiivsust tippvõimsusel ja muu tehnika tagasilöögil. Kitsaribaliste rakenduste puhul on ETAdvanced 25% tõhusam kui ümbrike jälgimine, kasutades vähem keeruka konstruktsiooni vähem komponente. Samuti mahutab see kanali ribalaiuse kuni 160 MHz, muutes selle kasulikuks nii LTE-Advanced, 802.11ac Wi-Fi kui ka potentsiaalselt süsteemide jaoks, mis on ühendatud viienda põlvkonna traadita 5G-ga.

Eelmise aasta oktoobris toimunud Euroopa mikrolainete nädalal demonstreeris ettevõte 802.11ac Wi-Fi raadiosagedusvõimendit, mida juhib ETAdvanced ja mis kulutab kanali ribalaiusega 80 MHz 160% vähem energiat kui selle rakenduse tüüpiline võimendi. Ettevõtte sõnul esindab see esmakordselt väga laia ribalaiusega rakenduste jaoks täiustatud tarnemodulatsiooni tehnoloogiat.

kokkuvõte
RF-energiatootmise tõhususe suurendamiseks tehtavad tööd, kui neid on täielikult kirjeldatud, võiksid täita suure raamatu. Pingutusi ei tehta mitte ainult selles artiklis käsitletud valdkondades, vaid ka erinevate võimendite klasside ja mitmesuguste tehnikate kasutamisel, mis on kombineeritud huvitavate tulemuste saamiseks. Sõltumata sellest, kuidas neid edusamme saavutatakse, on üks kindlus, et suurema ja suurema tõhususe otsingud jätkuvad seni, kuni on vaja üha suuremaid andmeedastuskiirusi.

Eelmine:AM / FM hoiab kiiresti lenduvat meediamaastikku

Järgmine:Traadita tehnoloogia paarid Next-Gen heliga

Jäta sõnum

Sõnumite nimekiri

Kommentaarid Laadimine ...