اکنون از پنج سال دیگر ، صنعت بی سیم همانطور که امروزه می شناسیم ممکن است تقریباً کاملاً متحول شود. شبکه های سلولی که همیشه به ایستگاه های پایه "کلان" اعتماد داشته اند ، با صدها هزار "سلول کوچک" تکمیل می شوند. سنسورهای مجهز به بی سیم با گیرنده های ریز ریز باتری ، توسط میلیاردها مستقر می شوند تا اینترنت اشیا را به واقعیت تبدیل کنند. و حامل های بی سیم از فرکانس های عملیاتی به خوبی در ناحیه موج میلی متر طیف استفاده می کنند که امروزه فقط چند برنامه کاربردی دارند.

اگر یک موضوع مشترک در این سناریو وجود داشته باشد ، نیاز به ترانزیستورها و آمپلی فایرهای قدرت RF برای دستیابی به بالاترین راندمان ممکن است ، زیرا بخش انتقال هر فرستنده به طور قابل توجهی در هزینه های کلی بهره می برد ، همانطور که در شکل 1. نشان داده شده است. دستگاهی که توان RF تولید می کند می تواند 100٪ راندمان را بدست آورد ، زیرا برای تبدیل انرژی DC به انرژی RF ، مانع های زیادی وجود دارد ، از تلفاتی که در طول مسیر سیگنال ایجاد می شود ، به فرکانس کارکرد ، ویژگی های ذاتی دستگاه ، برای نامگذاری چند مورد.

شکل 1: اجزای مرتبط با RF به میزان قابل توجهی در مصرف برق یک ایستگاه پایه سلولی نقش دارند.

با این وجود ، حتی افزایش های افزایشی در پاداش های بهره وری از قبیل کاهش مصرف برق و دستگاه های بالقوه کمتری برای تحویل یک خروجی RF خاص (و در نتیجه ردپای تقویت کننده کلی کوچکتر) لازم است. و در سلول ها و دستگاه های IoT کاهش مصرف برق بسیار مهم است. بنابراین جای تعجب ندارد که تولیدکنندگان ترانزیستورهای RF ، مدارهای مجتمع RF (RFIC) و مدارهای مجتمع مایکروویو یکپارچه (MMIC) و همچنین موسسات دانشگاهی ، در تلاشند تا کارآیی را افزایش دهند. نتیجه ، گرایش به سمت افزایش راندمان RF در سطح دستگاه و همچنین با استفاده از تکنیک هایی از قبیل ردیابی پاکت ، برنامه های کاهش دیجیتال پیش از اعوجاج / تاج دیجیتال ، و کلاس های بالاتر آمپلی فایرهای فراتر از کلاس همه جا AB است.

نمونه ای عالی از پتانسیل بهره وری فعلی فن آوری GaN ، ترانزیستور قدرت Wolfspeed CGHV14800F GaN HEMT است (شکل 2). اگرچه از نظر محافظه کارانه برای ارائه 800 وات بین 1200 تا 1400 مگاهرتز ، عملکرد معمولی (با پالس عرض 100 میکرون و چرخه 5٪ کار) از 910 W در 1400 مگاهرتز با راندمان 67٪ تا 1 کیلو وات در 1200 مگاهرتز متغیر است. بازده 74٪ ترانزیستور برای استفاده در رادارهای باند L برای کنترل ترافیک هوا ، آب و هوا ، سیستم های ضد انعطاف پذیر ، ردیابی هدف و نظارت بر دوربرد طراحی شده است.

شکل 2: CGHV14800F GaN HEMT از Wolfspeed با کارایی بسیار بالا تا 74٪ و توان خروجی RF 1 کیلو وات در باند L به دست می آورد.

بازگشت آقای روحانی
یک تغییر مهم در طراحی آمپلی فایر که اکنون تقریباً در همه نوع تقویت کننده های ایستگاه پایه مورد استفاده قرار می گیرد ، معماری Doherty است. این دستگاه در سال 1936 توسط WH Doherty of Bell Labs (سپس بخشی از Western Electric) اختراع شد و یک آمپلی فایر تولید کرد که می تواند با سیگنال های ورودی که دارای نسبت اوج به متوسط بالا هستند ، بازده اضافه شده بسیار قدرتمندی را ارائه دهد. هنگامی که به درستی طراحی شود ، یک آمپلی فایر Doherty می تواند در مقایسه با آمپلی فایر کلاس موازی استاندارد AB ، 11٪ تا 14٪ افزایش دهد.

با این حال ، Doherty برای سالهای طولانی اختراع تقریباً خفته نبود زیرا طرح های مدولاسیون بکار رفته در سیستم های ارتباطی AM و FM بودند و فقط تعداد کمی از انواع سیگنال دارای ویژگی هایی بودند که Doherty به خوبی مناسب بود. امروزه تقریباً هر سیستم بی سیم سیگنال هایی با پارس بالا ، از WCDMA گرفته تا CDMA 2000 ، و هر سیستمی که از Multiplexing Division Frequency Division (OFDM) مانند LTE و Wi-Fi استفاده می کند ، تولید می کند.

یک آمپلی فایر کلاسیک Doherty (شکل 3) ، که در کلاس معماریهای مدولاسیون بار قرار می گیرد ، در واقع از دو آمپلی فایر تشکیل شده است: یک تقویت کننده حامل مغرضانه برای کار در حالت کلاس AB ، و یک تقویت کننده اوج برای کار در حالت کلاس C. تقسیم کننده قدرت سیگنال ورودی را به همان اندازه برای هر آمپلی فایر با 90 درجه تقسیم می کند. اختلاف در فاز. پس از تقویت ، سیگنال ها با یک نیروگاه برق وصل می شوند. هر دو آمپلی فایر در طول قله های سیگنال ورودی کار می کنند و هر کدام با یک امپدانس بار ارائه می شوند که حداکثر توان خروجی را قادر می سازد.

شکل 3: یک آمپلی فایر دو طرفه کلاس AB ، دو طرفه.

با کاهش قدرت سیگنال ورودی ، تقویت کننده اوج Class C خاموش می شود و فقط حامل Class AB کار می کند. در این سطح قدرت پایین تر ، تقویت کننده حامل Class AB با یک امپدانس بار مدوله شده ارائه می شود که باعث می شود راندمان و سود بیشتری تولید شود. با پیشرفت های جدید در طراحی آمپلی فایر Doherty ، پی در پی سریع انجام شده است ، زیرا این معماری جدید سازی شده است ، و این منجر به موفقیت فعلی آن شده است.

نیاز به خطی شدن
البته هیچ معماری کامل نیست و خطی بودن در یک تقویت کننده Doherty نسبت به آمپلی فایر کلاس دوگانه AB است ، بنابراین تکنیک های خطی سازی آنالوگ و دیجیتال برای بهبود آن لازم است. امروزه بیشترین استفاده از آن ، پیشگویی دیجیتال (DPD) است که گاه بهمراه کاهش فاکتور تاج (CFR) است. هر دو DPD و CFR به طرز چشمگیری اعوجاج Doherty را کاهش می دهند و طراحی دقیق دستگاه و تقویت کننده می تواند کاهش خطی را به حداقل برساند. با این حال ، استفاده از آنها به طور دقیق برای استفاده در تقویت کننده های Doherty مشخص نشده است ، زیرا مزایای آن در سایر معماری های تقویت کننده نیز قابل دستیابی است.

متأسفانه ، آمپلی فایرها هنگامی که در نزدیکی نقطه اشباع خود رانده می شوند ، عملکرد بهتری دارند و پس از آن غیرخطی می شوند و با افزایش توان ورودی ، تولید RF کاهش می یابد. علاوه بر این ، اعوجاج قابل توجهی شروع می شود که می تواند باعث اختلال در کانالها یا خدمات مجاور شود. در نتیجه ، طراحان برای اطمینان از خطی بودن ، معمولاً قدرت خروجی RF را به "منطقه امن" خاموش می کنند. هنگامی که آنها این کار را انجام دهند ، ترانزیستورهای RF بیشتری لازم است تا یک توان خروجی RF داده شده را تحویل دهند ، که به نوبه خود باعث افزایش مصرف فعلی و در نتیجه عمر باتری کمتر یا در یک ایستگاه پایه ، هزینه های بالاتر می شود.

DPD به طور موثری "تحریف معکوس" را به ورودی آمپلی فایر وارد می کند ، و غیرخطی های تقویت کننده را لغو می کند. نتیجه اینكه آمپلی فایر نباید از نقطه عملكرد مطلوب خود پس گرفته شود ، و به طور بالقوه نیاز بیشتری به دستگاههای قدرت RF را نفی می كند. از آنجا که تقویت کننده کارآمدتر است ، هم در کاهش سرریز هوایی و هم در مصرف انرژی مهم ، مزایایی حاصل می شود. CFR همچنین با کاهش نسبت اوج به میانگین سیگنالهای ورودی ، کاهش قله های سیگنال را کنترل می کند تا بتواند در اعوجاج کنترل کند ، تا سیگنال بدون قطع و یا تحریف از طریق تقویت کننده عبور کند. هنگامی که DPD و CFR در کنار یکدیگر استفاده می شوند ، حتی مزایای بیشتری نیز می تواند حاصل شود.

رویکرد طوفانی
یکی دیگر از معماریهای تقویت کننده که تقریباً 80 سال پیش توسط هنری Chireix ساخته و ثبت شده است "outfasing" نام دارد و توانایی خود را در افزایش راندمان تقویت کننده و افزایش پهنای باند عملیاتی نشان داده است. به طور کلی ، این رویکرد کنترل تغییر فاز آمپلی فایرهای چندگانه اشباع یا حالت خاموش حالت RF برای ایجاد یک خروجی RF مدوله شده را کنترل می کند. یک دستگاه جمع کننده قدرت بدون عایق و بدون عایق باعث تعدیل بار آمپلی فایرها می شود که خروجی را تعدیل می کند. از آنجا که می تواند راندمان بیش از طیف وسیعی از سطح قدرت را افزایش دهد ، از این رو برای استفاده در سیستم های ارتباطی بالا PAR مناسب است.

تحقیقات مربوط به رویکرد سرپایی توسط تولید کنندگان دستگاه و آکادمیک انجام شده است تا برخی از معایب آن برطرف شود ، شاید مهمترین آنها نیاز به جداسازی سیگنال در سیگنال های چند مرحله ای و دامنه تعدیل شده باشد. این تعداد اجزای مورد نیاز (و در نتیجه هزینه) را با روش Doherty مقایسه می کند که نیازی به این جداسازی ندارد. با این حال ، تحقیقات در حال انجام برای کاهش این مشکلات ، به طور بالقوه آن را به عنوان یک مکمل عالی برای تقویت کننده Doherty تبدیل کرده است.

پیگیری پاکت
هنوز هم پیکان دیگری در لرزش طراحان تقویت کننده ، ردیابی پاکت نامه است که در آن ولتاژ وارد شده به تقویت کننده نیرو به طور مداوم تنظیم می شود تا اطمینان حاصل شود که در منطقه عملیاتی اوج خود کار می کند و در نتیجه با حداکثر قدرت. این تکامل یک تکنیک قبلی به نام حذف و ترمیم پاکت (EER) است که توسط LR Kahn در سال 1952 (که معمولاً "روش کان" نامیده می شود) پیشنهاد شده است و از آن زمان تاکنون موضوع تحقیقات قابل توجهی بوده است.

با ردیابی پاکت ، ولتاژ منبع تغذیه اعمال شده به تقویت کننده به طور مداوم تنظیم می شود به گونه ای که همیشه در راندمان اوج کار می کند ، برخلاف تکنیک های طراحی آمپلی فایر معمولی که در آن یک ولتاژ منبع تغذیه ثابت فقط هنگام کار در فشرده سازی کارآمدترین کار را دارد. نوع دوم باعث افزایش کارایی با افزایش در فاکتور تاج می شود زیرا تقویت کننده بیشتر از حد قدرت اوج خود عمل می کند و بنابراین حداکثر بازده بالقوه خود را دارد.

اطلاعات پاکت نامه ای که از طریق ردیابی پاکت استفاده می شود مبتنی بر مشخصات مودم I / Q است و به منظور تأمین ولتاژ مورد نیاز ، به منبع تغذیه تخصصی ارسال می شود. این تکنیک برای اولین بار در سال 2013 توسط Qualcomm در تراشه گنجانیده شده است و اکنون در بسیاری از تولید کنندگان از تلفن های هوشمند استفاده می شود. مانند سایر تکنیک ها ، ردیابی پاکت محدودیت هایی دارد که یکی از مهمترین آنها محدوده پهنای باند سیگنال 20 تا 40 مگاهرتز است که مشکلاتی را ایجاد می کند زیرا روش های دسترسی بی سیم طی سالها از چند مگا هرتز به نزدیک به 100 مگاهرتز در LTE-Advanced و 160 افزایش یافته است. مگاهرتز در IEEE 802-11ac.

با این حال ، به نظر می رسد تحولات اخیر به نام Envelope Tracking Advanced (ETAdvanced) این مشکل را کاهش داده است. این موسسه توسط موسسه فناوری ماساچوست به نام Eta Devices موسوم به اساتید مهندسی MIT دیوید جی Perreault و جوئل داوسون ساخته شده است که پس از 10 سال تحقیق که بر اساس آن ETAdvanced ساخته شده است ، ایجاد و به ثبت رسیده است. این شرکت توسط Stata Venture Partners تأمین می شود که بنیانگذار آن ری استاتا است که همچنین دستگاه های آنالوگ را هم پایه گذاری کرده است. بنیانگذاران شامل Mattias Astrom ، کارآفرین سریال ، و دکتر مارک Briffa ، محقق و طراح برجسته در Huawei و اریکسون هستند. اکتبر گذشته توسط نوکیا خریداری شد.

این شرکت می گوید ETAdvanced به فرستنده های ایستگاه پایه اجازه می دهد تا در بالاترین راندمان و عقب ماندن از هر روش دیگر ، به بالاترین راندمان برسند. برای برنامه های باریک باریک ، ETAdvanced 25٪ کارآمدتر از ردیابی پاکت با استفاده از اجزای کمتری در طراحی کمتر پیچیده است. همچنین از پهنای باند کانال تا 160 مگاهرتز بهره می برد و این کار را برای هر دو Wi-Fi LTE-Advanced ، 802.11ac و سیستم های بالقوه موجود در نسل پنجم بی سیم ، 5G مفید می کند.

در هفته مایکروویو اروپا در اکتبر گذشته ، این شرکت یک تقویت کننده توان Wi-Fi RF 802.11ac را کنترل کرد که توسط ETAdvanced استفاده می شود و از طریق یک پهنای باند کانال 80 مگاهرتز ، 160 درصد انرژی کمتری از یک آمپلی فایر معمولی برای این برنامه مصرف می کند. این شرکت می گوید این اولین باری است که یک فناوری پیشرفته-مدولاسیون عرضه برای برنامه ای با پهنای باند بسیار گسترده ای نشان داده شده است.

خلاصه
اگر به طور کامل شرح داده شود ، کارهایی در جهت افزایش کارآیی تولید برق RF انجام می شود ، می تواند کتاب بزرگی را پر کند. تلاشها نه تنها در مناطقی که در این مقاله مورد بحث قرار گرفته اند بلکه در استفاده از طبقات مختلف آمپلی فایر و تکنیک های مختلفی که برای تولید نتایج جالب در نظر گرفته می شوند ، در حال انجام است. صرف نظر از چگونگی دستیابی به این پیشرفت ها ، یقین این است که جستجو برای راندمان بالاتر و بالاتر تا زمانی که تقاضا برای نرخ داده های بالاتر وجود داشته باشد ، ادامه خواهد یافت.

قبلی:AM / FM در یک منظره رسانه ای فرار سریع نگه می دارد

بعد:زوج های فناوری بی سیم با صدای نسل بعدی

ترک یک پیام

فهرست پیام

نظرات در حال بارگذاری ...