როგორ გავაუმჯობესოთ RF ენერგიის გამაძლიერებლის ეფექტურობა?
თერმოდინამიკის ძირითადი კანონები ცხადყოფს, რომ ვერცერთი ელექტრონული მოწყობილობა ვერ მიაღწევს 100% ეფექტურობას, თუმცა გადართვის კვების წყაროები შედარებით ახლოსაა (98% -მდე). სამწუხაროდ, ნებისმიერი მოწყობილობა, რომელიც გამოიმუშავებს RF ენერგიას, ამჟამად ვერ ახერხებს იდეალურ მუშაობას ან ახლოსაა, რადგან DC ენერგიის RF პროდუქტად გადაქცევის პროცესში ძალიან ბევრი დეფექტია, მათ შორის მთელი სიგნალის ბილიკის გადაცემის შედეგად გამოწვეული ზარალი ოპერაციული სიხშირე დროის დაკარგვა და მოწყობილობის დამახასიათებელი დაკარგვა. შედეგად, MIT Technology Review– ს სტატიაში ერთსულოვნად გამოითქვა RF დენის გამაძლიერებელი, ”ეს არის ძალიან არაეფექტური აპარატურა”.
გასაკვირი არ არის, რომ RF ენერგიის პროდუქტების მწარმოებლების ყველა ასპექტი, ნახევარგამტარებიდან გამაძლიერებლებით დამთავრებული გადამტანებით, აგრეთვე უნივერსიტეტები და თავდაცვის დეპარტამენტი, ხარჯავს უამრავ დროს და ფინანსურ რესურსებს RF ენერგიის მოწყობილობების ეფექტურობის გასაუმჯობესებლად. ამას აქვს კარგი მიზეზები: ეფექტურობის მცირედი ზრდაც კი შეიძლება გახანგრძლივდეს ბატარეით მომუშავე პროდუქტების მუშაობის დრო და შეამციროს უკაბელო ბაზის სადგურების წლიური ენერგიის მოხმარება. დიაგრამა 1 გვიჩვენებს RF ნაწილის პროპორციას საბაზო სადგურის საერთო ენერგიის მოხმარებასთან.
სურათი 1: საბაზო სადგურის ელექტროენერგიის მოხმარებაში სხვადასხვა რადიოსიხშირული პროდუქტის შესაბამისი ნაწილების დამატება, საბოლოო შედეგი საკმაოდ დიდი იქნება.
საბედნიეროდ, RF ეფექტურობის გაუმჯობესების მრავალწლიანი ძალისხმევის შემდეგ, ეს პირობები თანდათან იცვლება. ამ დავალებების ნაწილი მოწყობილობის დონეზეა, ზოგი კი იყენებს ზოგიერთ ინოვაციურ ტექნოლოგიას, როგორიცაა კონვერტის მიკვლევა, ციფრული პრედისტორციული / ცემენტის ფაქტორის შემცირების სქემები და გამაძლიერებლები, რომლებიც უფრო მაღალია ვიდრე AB კლასის საერთო დონე.
გამაძლიერებლის დიზაინის მთავარი ცვლილებაა Doherty არქიტექტურა, რომელიც 5 წლის განმავლობაში გახდა ბაზის სადგურის გამაძლიერებლების სტანდარტი. მას შემდეგ, რაც დოქტორმა დოჰერტმა Bell Laboratories- მა (რომელიც შემდეგ Westinghouse Electric- ის ნაწილი გახდა) გამოიგონა ეს არქიტექტურა 1936 წელს, ის უმეტესად ჩუმად იყო და მხოლოდ რამდენიმე პროგრამაში გამოიყენებოდა.
Doherty- ს კვლევამ შექმნა გამაძლიერებლის ახალი სტრუქტურა, რომელსაც შეუძლია უზრუნველყოს უკიდურესად მაღალი ენერგიის დამატებით ეფექტურობა, როდესაც შეყვანის სიგნალს აქვს პიკიდან საშუალოზე მაღალი თანაფარდობა (PAR). სინამდვილეში, სწორად შემუშავების შემთხვევაში, დოჰერტის გამაძლიერებლების ეფექტურობა შეიძლება გაიზარდოს 11% -დან 14% -მდე, ვიდრე სტანდარტული პარალელური კლასის AB გამაძლიერებლები.
რა თქმა უნდა, მრავალი წლის განმავლობაში 1936 წლის შემდეგ, მხოლოდ რამდენიმე ტიპის სიგნალს აქვს ეს მახასიათებლები, მაგალითად AM და FM, რომლებიც იყენებენ მოდულაციის სქემებს საკომუნიკაციო სისტემებში. დღეისათვის თითქმის ყველა უკაბელო სისტემა წარმოქმნის მაღალ PAR სიგნალებს, WCDMA– დან CDMA2000– მდე, ნებისმიერ სისტემამდე, რომელიც იყენებს ორთოგონალური სიხშირის დაყოფის მულტიპლექსირებას (OFDM), როგორიცაა WiMAX, LTE და ახლახან Wi-Fi.
სურათი 2: დოჰერტის ტიპიური გამაძლიერებელი
Doherty- ს კლასიკური გამაძლიერებელი (ნახაზი 2), რომელიც შეიძლება კლასიფიცირდეს როგორც დატვირთვის მოდულაციის არქიტექტურა, სინამდვილეში ორი გამაძლიერებლისგან შედგება: გადამზიდავი გამაძლიერებელი მიკერძოებულია მუშაობისთვის AB კლასის რეჟიმში და პიკური გამაძლიერებელი მიკერძოებულია C კლასის რეჟიმში. დენის გამყოფი თანაბრად ყოფს შეყვანის სიგნალს თითოეულ გამაძლიერებელზე 90 ° ფაზის სხვაობით. გაძლიერების შემდეგ, სიგნალი სინთეზირდება დენის წყვილების საშუალებით. ორი გამაძლიერებელი ერთდროულად მუშაობს, როდესაც შეყვანის სიგნალი პიკს აღწევს და თითოეული მოქმედებს როგორც დატვირთვის წინაღობა, გამომავალი ენერგიის მაქსიმალურად გაზრდის მიზნით.
ამასთან, შეყვანის სიგნალის დენის ვარდნისთანავე, გამორთულია C კლასის პიკური გამაძლიერებელი და კვლავ მუშაობს მხოლოდ AB კლასის გადამზიდავი გამაძლიერებელი. დენის დაბალ დონეზე, AB კლასის გადამზიდველის გამაძლიერებელი მოქმედებს, როგორც მოდულირებული დატვირთვის წინაღობა, ეფექტურობისა და მომატების გასაუმჯობესებლად. არქიტექტურის განახლებული ენერგიით, დოჰერტის გამაძლიერებლის დიზაინმა მნიშვნელოვანი წინსვლა მოახდინა სწრაფ გამეორებაში და დიდ წარმატებას მიაღწია.
რა თქმა უნდა, არცერთი არქიტექტურა არ არის სრულყოფილი. Doherty გამაძლიერებლის ხაზოვანი და გამავალი სიმძლავრე ოდნავ უარესია, ვიდრე ორმაგი კლასის AB გამაძლიერებელი. ეს გვაძლევს კიდევ ერთ მნიშვნელოვან წრეს, რომელიც გახდა შეუცვლელი არჩევანი დღევანდელ საკომუნიკაციო გარემოში: ანალოგური და ციფრული ხაზოვანი ტექნოლოგია. ამ ტექნოლოგიაში ყველაზე ფართოდ გამოიყენება ციფრული პრედისტორიუმი (DPD), ზოგჯერ კომბინირებული crest ფაქტორის შემცირებით (CFR). DPD– სა და CFR– ს შეუძლია მნიშვნელოვნად შეამციროს დოჰერტის დამახინჯება, ხოლო მოწყობილობისა და გამაძლიერებლის ფრთხილად დიზაინმა შეიძლება შეამციროს ხაზოვნების დაკარგვა. ამასთან, ისინი მკაცრად არ არის განსაზღვრული დოჰერტის გამაძლიერებლებში გამოსაყენებლად და მათი ეფექტები საკმაოდ აშკარაა სხვა გამაძლიერებლის სტრუქტურებში გამოყენებისას.
1. ხაზოვანი ხაზის გაუმჯობესება
თანამედროვე ციფრული მოდულაციის ტექნოლოგია მოითხოვს, რომ გამაძლიერებლის სწორხაზოვნება საკმარისად მაღალია, წინააღმდეგ შემთხვევაში მოხდება ინტერმოდულაციის დამახინჯება და სიგნალის ხარისხი შემცირდება. სამწუხაროდ, როდესაც გამაძლიერებლები საუკეთესოდ ასრულებენ, ისინი ყველა ახლოს არიან მათი გაჯერების დონემდე. მოგვიანებით, ისინი არაწრფივი ხდებიან, RF ენერგიის გამომუშავება ეცემა შეყვანის ენერგიის მატებასთან ერთად და იწყება მნიშვნელოვანი დამახინჯება. ამ დამახინჯებამ შეიძლება გამოიწვიოს კროსსტალკი მეზობელ არხებსა და მომსახურებებს შორის. შედეგად, დიზაინერები, როგორც წესი, თავში იბრუნებენ RF გამოსასვლელ ენერგიას "უსაფრთხო ზონაში" ხაზოვანი ხაზის უზრუნველსაყოფად. როდესაც ისინი ამას აკეთებენ, საჭიროა მრავალი RF ტრანზისტორი მოცემული RF გამომავალი ენერგიის მისაღწევად, რაც გაზრდის მიმდინარე მოხმარებას და გამოიწვევს ბატარეის ხანმოკლე მუშაობას ან უფრო მაღალ საექსპლუატაციო ხარჯებს საბაზო სადგურებში.
DPD ეფექტურად შემოაქვს "ანტი-დამახინჯება" გამაძლიერებლის შეყვანისას და ამცირებს გამაძლიერებლის არაწრფივობას. შედეგად, გამაძლიერებელი საჭირო არ არის ოპტიმალური საექსპლუატაციო წერტილისკენ დაცემა და ამიტომ აღარ არის საჭირო RF ენერგიის მოწყობილობა. გამაძლიერებლები უფრო ეფექტურად იქცევიან, უპირატესობა ამცირებს გაგრილების ხარჯებს და ენერგიის მნიშვნელოვან მოხმარებას. როდესაც CFR მუშაობს, დამახინჯება მუდმივად მოწმდება შეყვანის სიგნალის პიკიდან საშუალოზე თანაფარდობის შემცირებით. ეს მეთოდი ამცირებს სიგნალის პიკურ მნიშვნელობას ისე, რომ გამაძლიერებელზე გავლისას სიგნალმა არ გამოიწვიოს დაჭრა ან დამახინჯება. როდესაც DPD და CFR გამოიყენება ერთად, უფრო მეტი მოგების მიღწევა შეიძლება.
2. ფაზის გარეთ დენის გამაძლიერებლის მეთოდი
სხვა ტექნოლოგია არის დაპატენტებული ტექნოლოგია, რომელიც ანრი ჩირეიქსმა თითქმის 80 წლის წინ გამოიგონა და ფლობდა მას. მას ჩვეულებრივ "outphasing" უწოდებენ (outphasing დენის გამაძლიერებელი, დატვირთვის მოდულაციის ტექნოლოგიის ოჯახის წევრი). ამჟამად მას იყენებენ Fujitsu, NXP და ა.შ. გამაძლიერებლის ეფექტურობის გასაუმჯობესებლად. იგი აერთიანებს ორ არაწრფივ RF ენერგიის გამაძლიერებელს, რომლებსაც სხვადასხვა ფაზის სიგნალები მართავენ. იმის გამო, რომ ფაზას აკონტროლებენ, გამომავალი სიგნალის შეერთებისას, B კლასის RF გამაძლიერებლების გამოყენებას შეუძლია ეფექტურობის მიღწევების მიღწევა. ფრთხილად დიზაინის ტექნიკას, განსაკუთრებით შესაბამისი რეაქტიულობის შერჩევას, შეუძლია სისტემის ოპტიმიზაცია კონკრეტული გამომავალი ამპლიტუდისთვის, რაც ეფექტურობის ორჯერ გაზრდას მოუტანს (თეორიულად მაინც).
Fujitsu– მ გასულ წელს გამოაცხადა, რომ მან მიიღო გარკვეული ენერგიის გამაძლიერებელი ავტომატური ხაზის მეთოდით, კომპაქტური, დაბალი დანაკარგის დენის დაწყვილების სქემის ინტეგრირებით და DSP– ზე დაფუძნებული ფაზური შეცდომის კორექციის კომპენსაციის სქემით, რაც გადაცემის დროის 65% –ია. არსებული გამაძლიერებლები. , გამაძლიერებლის გადაცემის დრო შეიძლება აღემატებოდეს 95% -ს. დიზაინის შესამოწმებლად, ამ ენერგიის გამაძლიერებლის პიკურმა გამომუშავებამ შეიძლება მიაღწიოს 100 ვატს; საშუალო ელექტროენერგიის ეფექტურობა 50% -დან 70% -მდე იზრდება.
შეყვანის სიგნალი იყოფა ორ სიგნალად მუდმივი ამპლიტუდისა და ფაზის ცვლილებებით. ამპლიტუდა დგინდება RF კვების მოწყობილობის შესაბამისად და დენის დაწყვილების სქემა ახდენს წყაროს სიგნალის ტალღის ფორმის რეკონსტრუქციას. ადრე, როდესაც წყაროს სიგნალის რეკონსტრუქცია მოხდა, ფაზის სხვაობის დასადგენად საჭიროა დაწყვილების სიზუსტის დაკარგვა, რამაც ხელი შეუშალა ამ ტექნოლოგიის კომერციალიზაციას. Fujitsu- ს მიერ გამოყენებულ წყვილს აქვს უფრო მოკლე სიგნალის გზა, რაც ამცირებს დანაკარგს და ზრდის გამტარობას.
3. NXP- ის პერსპექტიული განვითარება
დატვირთვის მოდულაციის ეფექტის გარეშე Outphasing მექანიზმის ვარიანტს უწოდებენ არაწრფივი კონცეფციის ხაზოვანი გამაძლიერებელს (LINC), რომელიც იყენებს ცალკეულ დამაკავშირებელ და გამაძლიერებელ ეტაპს გაჯერებაზე გადასასვლელად და შეუძლია ეფექტურად გააუმჯობესოს ხაზოვანი და პიკური ეფექტურობა. ამასთან, LINC გამაძლიერებლების ეფექტურობა შედარებით დაბალია, რადგან თითოეული გამაძლიერებელი მუშაობს მუდმივი სიმძლავრით, თუნდაც RF გამომავალი დაბალ დონეზე. Chireix– მა ეს შეასწორა, საშუალო ეფექტურობის გასაზრდელად, ფაზის არამიზნობრივად დამაკავშირებელ და დატვირთვის მოდულაციასთან ერთად. NXP ნახევარგამტარებმა კიდევ უფრო გაუმჯობესეს, გამოიყენა ხაზგარეშე კონტროლი ორი ჩამრთველი რეჟიმის RF გამაძლიერებლით, რათა მათ მოერგოს მაღალი მწვერვალის ფაქტორის სიგნალები. კომპანია აერთიანებს Chireixoutphasing ტექნოლოგიას GaN HEMT ჩართვის კლასის E გამაძლიერებლებთან (სურათი 3).
სურათი 3: გამარტივებული Chireix– ის ფაზის გარეთ გამაძლიერებელი ბლოკის დიაგრამა
NXP– ის მიერ შემუშავებული და დაპატენტებული მძღოლის ახალი ტექნოლოგია საშუალებას აძლევს გამაძლიერებელს მიაღწიოს მაღალ ეფექტურობას დაახლოებით 25% გამტარობაზე, ფაზური ურთიერთობის კონტროლით. ამან გამოიწვია ახალი არქიტექტურა, რომელიც აერთიანებს კლასის E გამაძლიერებლებსა და დატვირთვის მოდულაციას, რათა შეინარჩუნოს გამაძლიერებლების მაღალი ეფექტურობა გაჯერებაზე გამოსვლისას, რაც მათ საშუალებას აძლევს მოერგონ სხვადასხვა რთულ ტალღურ ფორმებს. NXP– მ უზრუნველყო GaN მოწყობილობებზე დაფუძნებული E კლასის RF გამაძლიერებლის საცნობარო დიზაინი და დაურთო Chireix– სთან დაკავშირებული ტექნიკური ინფორმაცია.
4. კონვერტის მიკვლევა
კიდევ ერთი ძირითადი ტექნოლოგია, რომელსაც გამაძლიერებლის დიზაინერები აქცევენ ყურადღებას, არის კონვერტის მიკვლევა. ამ ტექნოლოგიაში, დენის გამაძლიერებელზე გამოყენებული ძაბვა მუდმივად რეგულირდება იმის უზრუნველსაყოფად, რომ იგი მუშაობს პიკის რეგიონში ენერგიის მაქსიმალურად გაზრდის მიზნით. DC-DC გადამყვანით გათვალისწინებულ ფიქსირებულ ძაბვასთან შედარებით, ტიპიური დენის გამაძლიერებლის დიზაინში, კონვერტის მიკვლევის ელექტრომომარაგება ახდენს ელექტროენერგიის მიწოდებას, რომელიც უკავშირდება გამაძლიერებელს მაღალი გამტარობით, დაბალი ხმაურის ტალღის ფორმით, რომელიც სინქრონიზებულია მყისიერ კონვერტთან სიგნალი.
კონვერტების თვალთვალის ტექნოლოგიის გამოყენებას CMOS RF ელექტრომოწყობილობებში აქვს მნიშვნელოვანი მიმზიდველობა. Nujira ამ ტექნოლოგიას მრავალი წლის განმავლობაში ავითარებს. მათ აჩვენეს, რომ ამ ტექნოლოგიას შეუძლია გადალახოს ნაკლოვანებებით გამოწვეული ნაკლოვანებები CMOS RF გამაძლიერებლის პროგრამებში. CMOS ენერგიის გამაძლიერებლები გააკრიტიკეს, როგორც ცუდი არჩევანი ამჟამინდელი მაღალი PAR მოდულაციის ტექნოლოგიისთვის, მათი თანდაყოლილი ცუდი ხაზოვნების გამო, რაც მათ დამახინჯების შემცირებისთვის მოითხოვს. როდესაც CMOS გამაძლიერებლები მუშაობენ RF ენერგიის მაღალ დონეზე, მოხდება დაჭრა და დამახინჯება.
ამასთან, Nujira აერთიანებს დაპატენტებულ ISOGAIN ხაზოვანიზაციის ტექნოლოგიას თავის კონვერტში მიკვლევის ტექნოლოგიაში ხაზოვანი პრობლემების აღმოსაფხვრელად DPD– ს გამოყენების გარეშე. ამ ტექნოლოგიის გამოყენებით აღჭურვილობამ მიაღწია მაღალი ეფექტურობის მიზანს და მიაღწია იგივე შედეგს, როგორც GaAs სხვა ასპექტებში. CMOS გამაძლიერებლებზე ჩატარებული ყველა გამოკვლევის უდიდესი სარგებელი ის არის, რომ CMOS მოწყობილობები ყველგან არის წარმოდგენილი ელექტრონიკის მთელ ინდუსტრიაში, რომელსაც მხარს უჭერს მრავალი საწარმოს, ამიტომ ისინი შედარებით იაფია. იმის გამო, რომ იგი დაფუძნებულია სილიციუმზე, ასევე შესაძლებელია კონტროლისა და მიკერძოებული სქემების პირდაპირ ინტეგრირება დენის გამაძლიერებლის ჩიპზე.
5. სხვა სრულიად განსხვავებული მეთოდები
გამაძლიერებლის კიდევ ერთი ტექნოლოგია მხარი დაუჭირა Eta Devices- მა, მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტიდან წამოსულმა კომპანიამ და თანადამფუძნებელი იყო ორი ელექტროტექნიკის პროფესორი ჯოელ დოუსონი და დევიდ პერო და Ericsson- ისა და Huawei- ს ყოფილი გამაძლიერებელი მკვლევარი. მისი ასიმეტრიული მრავალ დონის გაფართოების ტექნოლოგია (AMO) შეიქმნა MIT– ის მიერ, რომელიც ერთობლივად ჩადეს ADI– ს თანადამფუძნებელმა რეი სტატამ და მისმა სარისკო კაპიტალმა Stata Venture Partners.
კომპანიის ძირითადი მიზანი არის განვითარებადი ბაზრები, მათ შორის 640,000 დიზელის გენერატორის ელექტროსადგური, რომლებიც წელიწადში 15 მილიარდ აშშ დოლარს ხარჯავს საწვავის მხრივ, რასაც მოსდევს სმარტფონების ბაზარი. მიმდინარე წლის თებერვალში Eta Devices– მა აჩვენა Eta5 აპარატურა ესპანეთში, ბარსელონაში, მობილური კომუნიკაციების მსოფლიო კონგრესის Advanced LTE განყოფილებაში. აღჭურვილობის გადაცემის არხი აღემატება 80 მეგაჰერცს.
Eta Devices– მა თამამად განაცხადა, რომ მისი ETAd Advanced (Advanced Envelope Tracking) ტექნოლოგია სავარაუდოდ შეამცირებს საბაზო სადგურის ენერგიის ხარჯებს 50% –ით. იგი ასევე აცხადებს, რომ მას შეუძლია სმარტფონების კვების ელემენტის გაორმაგება. წინაპირობაა, რომ გამაძლიერებლის RF დენის ტრანზისტორი ერთდროულად მოიხმარს ენერგიის მოხმარებას ლოდინის რეჟიმში და გადაცემის რეჟიმში, ხოლო ეფექტურობის გაუმჯობესების ერთადერთი გზაა ლოდინის დენის შემცირება შესაძლო დაბალ დონეზე.
დაბალი ენერგიის მოხმარების ლოდინის რეჟიმსა და მაღალ ენერგიის გამოყოფას შორის გადახრა იწვევს დამახინჯებას. არსებულმა სისტემებმა უნდა შეინარჩუნონ მოლოდინის ენერგიის მაღალი დონე, ამ მდგომარეობის მუდმივად გამოვლენის მიზნით, მაღალი ენერგიის მოხმარების ფასად. Eta Devices– ის მიდგომაა შეარჩიოს ძაბვა, რომელიც ტრანზისტორზე ელექტროენერგიის ყველაზე დაბალ ხარჯვას მოიხმარს წამში 20 მილიონჯერ სინჯით.
კიდევ ერთი პრობლემა ის არის, რომ კომპანიამ განმარტა, რომ LTE Advanced და 100 MHz სიჩქარის მოთხოვნები შექმნის უზარმაზარ მოთხოვნას RF ენერგიის გამაძლიერებლებზე. მხოლოდ კონვერტის მიკვლევა ვერ ეგუება ამ სიტუაციას, რადგან მას არ შეუძლია 40 მჰც-ზე ფართო არხების მხარდაჭერა. კომპანიის თანახმად, ETAd Advanced მხარს უჭერს არხებს 160 მეგაჰერცამდე, ასე რომ მას შეუძლია დააკმაყოფილოს როგორც LTE-Advanced, ისე 802.11ac Wi-Fi. ბაზის სადგურები, რომლებიც იყენებენ მის ტექნოლოგიას, შეიძლება ძალიან მცირე იყოს და კომპანია ირწმუნება, რომ მან შექმნა პირველი LTE გადამცემი, რომლის საშუალო ეფექტურობა 70% -ზე მეტია.
6. რეზიუმე
თუ სრულად აღწერთ RF– ს ენერგიის ეფექტურობის გასაუმჯობესებლად გაკეთებულ სამუშაოს, შეგიძლიათ დაწეროთ დიდი წიგნი. ეს შინაარსი არ შემოიფარგლება ამ სტატიაში განხილული მოცულობით, არამედ მოიცავს სხვადასხვა ტიპის გამაძლიერებლების და დამხმარე ტექნოლოგიების გამოყენებას. ამ ტექნოლოგიების კომბინაციამ შეიძლება მნიშვნელოვანი შედეგები გამოიწვიოს. რაც არ უნდა წინსვლა იყოს მიღწეული, დარწმუნებულია, რომ სანამ მონაცემთა მოთხოვნებზე უფრო მაღალი მოთხოვნა კვლავ არსებობს, უფრო მაღალი ეფექტურობის ძიება გაგრძელდება.
ჩვენი სხვა პროდუქტი:
