Mobila kommunikationssystem med hög datahastighet behöver RF-effektförstärkare (PA) som erbjuder hög energieffektivitet, för att minska nätverkens driftskostnader.

Detta är en utmaning, eftersom de komplexa moduleringssystemen som används i de senaste cellulära standarderna har höga topp-till-medel-effektförhållanden (PAR) som i sin tur kräver höga genomsnittliga effektiviteter från sändarens PA. Många PA-arkitekturer har en "sweet spot" där de fungerar mest effektivt och arbetar med mycket lägre effektivitet borta från den platsen. Att uppnå hög genomsnittlig effektivitet innebär därför att bygga PA-arkitekturer som är effektiva över ett brett utbud av driftsförhållanden.

Vi har sett några lovande tillvägagångssätt för att bygga sådana PA, med hjälp av GaN-transistorer i Doherty och out-phasing-arkitekturer. Vi anser att det är möjligt att uppnå ännu större effektivitet om sättet på vilket de högre övertonerna hos den överförda signalen avslutas kan styras mer effektivt utan att öka PA-styrelsens storlek eller komplexitet.

Vårt tillvägagångssätt använder harmoniskt anpassade GaN-transistorer och en quasi-load-insensiv (QLI) -arkitektur för att uppnå effektiviteten hos en Class-E-förstärkare i ett standard-RF-paket. Tillvägagångssättet erbjuder hög effektivitet. Trots det sättet som Doherty och out-phasing PA arkitekturer modulerar sina laster.

Som en påminnelse visar Figur 1 en förenklad Doherty PA-arkitektur.

Figur 1: En förenklad Doherty PA-arkitektur

Figur 2 En förenklad utfasning PA-arkitektur

Att bygga effektivare PA med hjälp av QLI-tekniker
Vi använder en ändlös induktansimplementering av en Class-E-förstärkare för att uppnå hög effektivitet från en enkel kretsstruktur. Många driftslägen uppstår som förhållandet mellan lastnätverkselementen och ingångsparametrarna varierar som en funktion av resonansfaktorn q = 1 / ω√LC, genom L och C, som visas i Figur 3.

Figur 3: Den kvasibelastande klassen E PA, med sin ändliga DC-matningsinduktor L och lowpass LC-sektion (L1C1) och relaterade vågformer

Vid q = 1.3 går PA i ett klass-E-driftsläge som ger bästa effektivitet över ett brett spektrum av belastningsmotstånd - som krävs för system som använder dynamisk belastningsmodulation.

I standard RF-paket tillåter storlek och kostnadsbegränsningar endast enkla matchande nätverkstopologier. En serie kondensator är särskilt svår att genomföra internt. Därför härledde vi en funktionellt identisk transformerad lågpass-LC-sektion (L1C1), som visas i nedre halvan av Figur 3.

Eftersom de högre övertonerna matchas inuti förpackningen, är ett konventionellt grundläggande lastdragningssystem tillräckligt bra för att uppnå optimal impedans för maximal effektivitet, maximal uteffekt och back-off (t.ex. 6dB). De uppmätta data visar att maximal uteffekt och effektivitet är inriktad på den reella axeln för förstärkarens Smith-diagram. Toppeffektiviteten bevaras medan uteffekten minskar för en ökande verklig del av lasten, vilket visar att den andra harmoniska impedansen som krävs för att uppnå toppeffektivitet under belastningsmodulationen är opåverkad. Denna egenskap är mycket användbar för att öka den genomsnittliga effektiviteten hos Doherty och out-phasing PA.

Använda QLI-tekniker till en klass E Doherty PA-design
Våra belastnings-mätningar av effekten och effektiviteten hos den förpackade enheten tyder på att den har en A / 4 intern signalrotation. Denna interna rotation kan beaktas vid utformningen av laddningsnätet för Doherty PA, så det är inte nödvändigt att lägga till kompensationslinjer vid utgången. Den grundläggande belastningsimpedansen som krävs på förpackningsledningarna är också tillräckligt hög för att göra det möjligt för Doherty-kombinationsenheten att anslutas direkt utan ett extra matchande nätverk.

Det faktum att högre övertoner avslutas inuti paketet innebär att laddningsnätet för Doherty PA kan vara enkelt, kompakt och att det inte behöver högre harmonisk matchning. Vidare är huvudanordningen förspänd i klass-AB-läge medan toppanordningen är förspänd i klass C-läge för sina vilande strömningar för att säkerställa konventionell Doherty-operation, så att enheten, när den körs hårt, kommer att ingå i klass E-drift.

Använda QLI-tekniker till en PA-design med dubbla ingångar, mixed-mode och outphasing
Mix-mode-outfasningsdesignen visas i Figur 4 (b). Chireix kompensation har införlivats i de två grenarna genom att justera sin elektriska längd med ± Δ, istället för att lägga till en arealkrävande shuntmottagning. Värdet på A bestämmer den nödvändiga utfällningsutjämningsvinkeln.

För outfasningsoperation i blandad mode används en kombination av fas- och ingångsstyrning för att uppnå maximal avtappning / PAE-effektivitet jämfört med strömavstängning. Driftsprofilen för att uppnå det bästa effektivitetssvaret lagras i ett uppslagstabell. Det betyder att utfasnings PA kan undvika en skarp effektivitet / förstärkning vid större utfasningsvinklar, och därmed bibehålla sin höga uppställningseffektivitet.

QLI PA arkitekturer i praktiken
Vi testade dessa två PA-arkitekturer med hjälp av en mätinställning med dubbla ingångar som kunde sopa både ingångsfasen och amplituden av signalen. Anordningarna pressades inte in i hög kompression för att undvika överhettning vid drift med kontinuerliga vågor. Detta innebär att toppströmmen med modulerade signaler är minst 1dB högre än den statiska uppmätta uteffekten. En vektoromkopplad allmänminnepolynominriktning användes för linearisering. En optimerad digital förvrängningsstrategi bör ge ännu bättre linearisering.

Slutsats

Detta arbete visar att det är möjligt att bygga högeffektiva, belastningsmodulationsbaserade PA genom att avsluta högre övertoner inom RF-paketet. Detta tillvägagångssätt innebär också att kraftkombinerande nätverk kan vara enkla och kompakta.

Föregående:Omvandlar sändningsuppgraderingar till en nästa generell TV-fördel

Nästa:Hur sänder du din egen FM-radiostation med en Raspberry Pi

Lämna ett meddelande

meddelande~~POS=TRUNC

Kommentarer Loading ...