Вступ
До сучасних систем мобільного зв'язку висуваються достатньо високі вимоги, як щодо швидкості передачі інформації, так і забезпечення якості обслуговування. Тенденція розвитку даних систем демонструє постійне збільшення швидкостей передачі даних, викликане перш за все зсувом пріоритету користувачів на мультимедійні, бізнес-додатки, інтернет. Еволюція систем бездротового зв'язку відбилася на ускладненні технологій передачі, а відповідно і на устаткуванні цих систем.
Для досягнення високих швидкостей передачі і одночасно високій спектральній ефективності застосовуються складні, комплексні методи модуляції радіосигналу, які характеризуються значними коливаннями рівня обвідної сигналу. Перш за все це 3G, 4G системи з модуляцією типу КАМ-16, КАМ-64, проте і сигнали фазової модуляції унаслідок смугової фільтрації також не можуть характеризуватися наявністю постійного рівня обвідної. Крім того дані системи характеризуються підвищеною спектральною ефективність, тобто максимальним ущільненням і зближенням спектрів сусідніх каналів, наприклад методи доступу з ортогональним частотним розділенням каналів реалізуються в системах четвертого покоління. Це веде до зростання вимог лінійності вихідних каскадів апаратури базових станцій з метою мінімізації інтермодуляционних спотворень сигналу, появі паразитних спектральних компонент в сусідніх каналах. Підсилювач потужності будучи одним з вихідних каскадів передавачів базової, забезпечує підсилення радіосигналу і грає важливу роль в дотриманні вимог лінійності.
Забезпечення високої лінійності характеристики підсилювача потужності досягається перш за все розробкою спеціальних ланок лінеаризації, схемою включення активного елементу, обранням типу активного елементу, обранням класу роботи активного елемента, реалізацією вихідної системи фільтрації вищих гармонік.
Окрім вимог підвищеної лінійності до підсилювачів потужності висуваються також вимоги високої енергетичної ефективності з метою мінімізації споживаної електроенергії, спрощення системи охолодження.
Наукова новизна
Розробляється високолінійний підсилювач потужності на основі мікрополоскової технології із застосуванням передспотворюючої ланки лінеаризації і технології дефективних структур мікрополоськової лінії. В ході роботи проводяться дослідження можливості застосування як аналогової, так і цифрової системи попереднього спотворення з метою забезпечення якнайкращих якісних показників для сигналів різних видів модуляції. Технологія дефективних структур МПЛ є інноваційною і застосовується для оптимізації розмірів ланцюгів підсилювача і створення максимально компактного вихідного фільтру з метою фільтрації вищих інтермодуляционних гармонік.
Актуальність роботи
Актуальність роботи полягає в необхідності розробки високолінійних підсилювачів потужності, що задовольняють вимогам стандартів сучасних систем бездротового зв'язку.
Предмет дослідження: дослідження сучасних методів підвищення лінійності характеристик підсилювача потужності, створення широкосмугових погоджувальних ланцюгів, можливості застосування технології дефективних структур з метою оптимізації параметрів підсилювача.
Об'єкт дослідження: підсилювач потужності як складовий елемент тракту передачі бездротового каналу зв'язку
Мета роботи: метою магістерської роботи є дослідження і розробка високолінійного підсилювача потужності передавачів систем мобільного зв'язку, дослідження сучасних способів підвищення лінійності характеристик і оптимізації параметрів підсилювача.
Основна частина
1. Обгрунтування структури підсилювача
Підсилювач потужності, що розробляється, реалізований на основі мікрополоскової технології і в загальному випадку складається з трьох основних частин: передспотворюючої ланки лінеаризації, безпосереднього модуля посилення і фільтру на основі дефективних структур мікрополоськового підкладки.
Рис 1.1 Загальна структура підсилювача потужності
Необхідність застосування передспотворюючої ланки викликана високими вимогами забезпечення лінійності передавальної характеристики підсилювача з метою мінімізації інтермодуляционних спотворень сигналу і рівнів паразитних гармонік в сусідніх частотних каналах. Аналогова ланка може бути реалізована на основі діодів, управління передавальною характеристикою якого здійснюється шляхом зміни струму зсуву ланцюга живлення діода.
Безпосередньо підсилювальний модуль представлен балансним підсилювачем потужності класу С з включенням транзисторів по схемі ЗБ і розподілом потужностей за допомогою направленого відгалужувача Ланге.
Реалізація балансного підсилювача виправдана такими перевагами :
-
Можливістю побудови високопотужніх підсилювачів шляхом об'єднання за допомогою мостів декількох підсилювальних модулів;
-
Збільшенням надійності підсилювача потужності, оскільки у разі виходу з ладу одного підсилювального модуля, продовжуватиме працювати інший, хоча вихідна потужність знизиться, проте, це не призведе до втрати працездатності усього каналу зв'язку;
-
Поглинанням на балансному навантаженні моста відображеної хвилі унаслідок розузгодження підсилювача з сусідніми каскадами.
Підсилювач працює в класі С оскільки таким чином забезпечується висока енергетична ефективність і мінімізуються проблеми стійкості транзисторів, включених за схемою ЗБ. Обрання даної схеми включення викликаний перш за все перевагою отримання по суті будь-якого коефіцієнта посилення, як функції від вхідного і вихідного опорів, а також збільшенням лінійності передавальної характеристики ПП.
Фільтр на виході підсилювача призначений для фільтрації паразитних інтермодуляционних гармонік і реалізований на основі дефективної структури мікрополосковї підкладки. Дана технологія забезпечує мінімальні геометричні розміри і високі фільтруючі властивості.
2. Разробка модуля підсилення
В якості активного елементу підсилювача був обраний НВЧ транзистор 2Т948А. Обрання здійснюється з урахуванням максимальної вихідної потужності, діапазону робочих частот, схеми включення. Даний транзистор працює в діапазоні 0.7 – 2.3 Ггц за схемою із загальною базою і забезпечує максимальну вихідну потужність до 20 Вт, тим самим дозволяючи реалізувати підсилювач потужності для НВЧ передавачів всіх стандартів систем мобільного зв'язку. Реалізовуючи балансний тип підсилювача, що складається з двох модулів, максимальна потужність, що досягається, дорівнює 40 Вт.
В структуру модуля окрім транзисторів входять вхідні/вихідні мости для розподілу/об'єднання сигналів, вхідні/віхідні погоджувальні ланцюги, ланцюги живлення і зсуву.
В якості розподілювачів потужності використовуються зустрічно-паралельні направлені відгалужувачі Ланге, що мають компактні розміри і широкосмугові характеристики.
Синтез погоджувальних ланцюгів, здійснюється за допомогою Microwave Office для робочої частоти 1.8 Ггц з метою подальшого створення макету реального підсилювача і проведення вимірювань основних параметрів. Ланцюги складаються з двухступенчатих горизонтальних мікрополоскових ліній, що трансформують активну складову опору транзистора і вертикальних МПЛ, компенсуючих реактивну складову. Застосування двухступенчатих трансформаторів опору викликане прагненням забезпечити поступову трансформацію, тим самим збільшити ширину робочої смуги підсилювача.
Довжина трансформаторів дорівнює чверті хвилі:
де
с – швидкість світла;
f – робоча частота;
ε– діелектрична проникність матеріалу підкладки, враховується укорочення хвилі в діелектрику.
Ширина перпендикулярної лінії,що компенсує реактивну складову, дорівнює ширині 50 - омной лінії на частоті 1.8 Ггц і визначається:
де
р – хвильовий спротив МПЛ;
w – ширина МПЛ;
h – висота діелектричної підкладки;
ε– діелектрична проникність матеріалу підкладки.
Синтез узгоджуючих ланцюгів проводиться шляхом підбору значень ширини мікрополоськових трансформаторів і довжин паралельних компенсуючих МПЛ. На рис 2.2 наведена топологія мікрополоскових ланцюгів підсилювального модуля.
Рис 2.2 Мікрополоскова топологія підсилювача потужності
Для мінімізації розмірів і оптимального розміщення мікрополоскової топології підсилювача на підкладці, проводиться вигин МПЛ.
Критерієм якості при створенні узгоджуючих ланцюгів є максимальне значення коефіцієнта передачі S21 і мінімальне значення коефіцієнтів віддзеркалення S11 і S22. Крім того оцінюється значення інваріантного коефіцієнта стійкості К, як функції від S параметрів, який перевищує 1, що означає стійкість підсилювача в робочій смузі частот. Результати моделювання наведені на рис 2.3.
Рис 2.3 Залежність S параметрів від частоти
Ступінь стійкості і можлива область коливань вхідного і вихідного опорів що не призводять підсилювач до виникнення генерацій, оцінюється за допомогою кіл стійкості. Типове значення коефіцієнта стоячої хвилі антени базової станції VSWR=1.5, тобто можливі коливання опору антени визначаються:
де
Rmin – нижня межа коливання опору;
Rmax – верхня межа коливання опору;
VSWR – коэффициент стоячої хвилі.
Даний підсилювач забезпечує стійкість в заданому діапазоні можливих коливань імпедансу, можливі межі коливань знаходяться усередині кіл стійкості ПП..
3. Дослідження лінеаризації характеристик ПП
В даний момент це питання знаходиться на стадії розробки. У магістерській роботі планується провести дослідження можливості застосування техніки попереднього спотворення сигналу на основі декількох типів систем: аналогової і цифрової системи попереднього спотворення. Дослідження можливостей застосування того або іншого типу системи проводиться шляхом оцінки показників Adjacent channel power ratio (ACPR) ( відношення потужності гармонік сигналу в сусідніх каналах до рівня спектру даного каналу), а також Error vector magnitude ( EVM ) ( амплітуда вектора помилки між векторами ідеального і спотвореного сигналу) із застосуванням лінеаризації і без. При моделюванні використовуються сигнал різних типів модуляції для різних систем бездротового зв'язку, таких як EDGE з трьохпозиційною фазовою модуляцією 8PSK, систем третього покоління з адаптивною модуляцією QPSK, QAM16, QAM64. Інтерес викликає дослідження можливості застосування тієї або іншої системи для конкретного виду модуляції, що забезпечує якнайкращі показники якості.
Аналогові системи попереднього спотворення засновані на застосуванні нелінійних елементів, за допомогою яких створюється передавальна характеристика ланки з певним ступенем нелінійності, що дозволяє компенсувати нелінйності передавальної характеристики підсилювача потужності.
Одним з результатів дослідження на даному етапі є створення моделі аналогової діодної ланки попереднього спотворення в Microwave Office і випробуванні його для сигналу квадратурної фазової модуляції QPSK. Управління передавальною характеристикою ланки здійснюється за допомогою зміни напруги джерел живлення і опорів струмозадаючих резисторів ланцюгів зсуву діодів, тим самим зсувом робочої точки діодів на певну ділянку їх нелінійної характеристики.
На рис 3.1 приведені спектри вихідних сигналів для різних співвідношень струмів зсуву. Як видно з анімації при певному підборі значень напруги джерел живлення і опорів резисторів вдається понизити рівні паразитних спектральних компонент в сусідніх каналах з -10 дБ до -40 дБ .(потужність, дБм)
Рис 3.1 Спектри вихідного сигналу QPSK підсилювача потужності із застосуванням аналогового передспотворення.
На етапі дослідження цифрової системи попереднього спотворення планується створення програмного інтерфейсу між Microwave Office і системою візуального програмування LabView з метою моделювання радіочастотних сигналів в Microwave Office і здійсненнях цифрових перетворень за допомогою LabView. Система цифрового передспотворення рис 3.2 припускає демодуляцію і цифроаналогове перетворення вихідного сигналу підсилювача потужності, отримання масиву значень синфазних ( I ) і квадратурних ( Q ) складових вектора сигналу, оцінка ступеня спотворення сигнального сузір'я, на основі чого перетворення синфазних ( I ) і квадратурних ( Q ) складових вхідного сигналу.
Рис 3.2 Блок-схема цифрової системи передспотворення
4. Дослідження технології дефективных структур МПЛ
Технологія застосування дефективних структур підкладки микрополосковой лінії в теперішній час є інноваційним і таким, що вимагає подальших досліджень. Перевагою застосування даної техніки є побудова достатньо компактних фільтрів, направлених відгалужувачів, оптимізація ділянок микрополосковой топології.
Метою даних досліджень в магістерській роботі є створення смугового фільтру для фільтрації паразитних бічних спектральних компонент вихідного сигналу з мінімальними геометричними розмірами і високими фільтруючими властивостями. Дана технологія заснована на витравлянні геометричних фігур певної форми і розміру в металевій підставі микрополосковой лінії. Це створює резонуючі ефекти для хвилі, що розповсюджується, тим самим впливаючи на електрично характеристики МПЛ, збільшуючи її ефективну індуктивність і ємність.
Структура експериментальної моделі фільтру на основі дефектівнх структур МПЛ наведена на рис 4.1. Верхній металізований шар - безпосередньо микрополосковая лінія, нижній шар - металева підстава з дефективною структурою.
Рис 4.1 Дослідницький зразок фільтру на основі дефектівих структур МПЛ в Microwave Office
Висновок
Сучасні системи бездротового зв'язку для досягнення високих швидкостей передачі і високої спектральної ефективності використовують складні методи модуляції і кодування, що несе за собою підвищення вимог до устаткування. Зокрема проблема інтермодуляционних спотворень сигналу і паразитних спектральних компонент в сусідніх каналах безпосередньо пов'язана з лінійністю тракту передачі. Оскільки найбільші спотворення можуть відбуватися на етапі підсилення, особливу роль в забезпеченні високої лінійності грає побудова виськолінійних підсилювачів потужності.
При створенні підсилювачів потужності вирішуються декілька взаємозв'язаних проблем: забезпечення одночасно як високої енергетичної ефективності так і високого ступеню лінійності передавальної характеристики. Висока енергетична ефективність може бути забезпечена обранням класу роботи транзистора з відсіченням струму (С, В, АВ), проте, у свою чергу це спричиняє за собою спотворення сигналу, зокрема сигналів із змінною обвідною КАМ, що використовуються в системах 3G, 4G. Для вирішення даних проблем підсилювач потужності, що розробляється, доповнюється зовнішньою системою лінеаризації і вихідним смуговим фільтром.
Проводиться дослідження системи лініаризації на основі попереднього спотворення радіосигналу з метою компенсації нелінійності передавальної характеристики безпосередньо підсилювального модуля. Досліджуються аналогова і цифрова система передспотворення на предмет забезпечення якнайкращих показників ACPR, EVR і інших для сигналів різних бездротових систем з різними типами модуляци.
Створення смугового фільтру проводиться на основі інноваційної технології дефективних структур микрополоскової підкладки. За допомогою даної техніки вдається побудувати фільтр з мінімальними геометричними розмірами і високими фільтруючими властивостями.
Литература
-
“RF/Microwave circuit design for wireless applications”, Ulrich Rohde, David Newkirk, John Wiley & Sons, 2000
-
“Advanced techniques in RF power amplifier design ”, Steve C. Cripps, Artech House, 2002
-
“High linearity RF amplifier design”, Peter B. Kenington, Artech House, 2000
-
“A Microwave Miniaturized Linearizer Using a Parallel Diode with a Bias Feed Resistance”, Kazuhisa Yamauchi, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 45, NO. 12, DECEMBER 1997
-
“An independently controllable AM/AM and AM/PM predistortion linearizer for CDMA2000 multi-carrier applications”, Chan-Wang Park, Gary Carangelo, AmpliX Wireless & Satcom
