Разработка усилителя мощности передающего тракта широкополосных беспроводных сетей WiMAX

Кусов Р.С.

Источник: Інформатика та комп'ютерні технології — 2008 / Матеріали четвертої міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів та молодих науковців. — Донецьк, ДонНТУ — 2008, с. 94-96.

1. Введение

В настоящее время телекоммуникационные сети, использующие радиоканал в качестве средства доступа конечного пользователя к сетевым услугам, переживают этап бурного развития и повсеместного распространения. В постоянной динамике находятся процессы разработки, совершенствования и внедрения разнообразных беспроводных технологий. Это в свою очередь оказывает существенное воздействие и на оборудование абонентских терминалов. Современные пользовательские средства уже не ограничиваются ориентацией лишь на одну технологию, а представляют собой многофункциональные модули, обеспечивающие доступ пользователя к полному спектру услуг: передаче данных, голоса и видео [1]. Всё чаще звучат слова: мультисервисность, конвергенция, многофункциональность. Данные обстоятельства определяют вектор развития телекоммуникационных технологий в ближайших перспективах.

2. Основные подходы к созданию усилителей мощности для стандарта WiMAX

Вместе с улучшением качества и увеличением количества предоставляемых сервисов появляются новые препятствия дальнейшего развития всех без исключения беспроводных технологий. Из основных проблем можно выделить следующие:

1) Чрезмерное «загрязнение» частотного ресурса. Частотный ресурс, как и любой другой, имеет свойство заканчиваться. Большинство современных технологий беспроводного широкополосного доступа и передачи данных (Wi-Fi, WiMAX, ZigBee, Bluetooth и прочие) предполагает использование полосы частот в районе 2,4 ГГц. Привлекательность этого диапазона во многом связана с простотой и относительной дешевизной его лицензирования во многих странах, а порой и возможностью нелицензированного использования данной области частот. Всё больше новых стандартов «пишется» под этот диапазон. Как следствие – стремительный рост проблем электромагнитной совместимости оборудования, рост числа и уровня взаимных помех, а, следовательно, ухудшение качества и параметров принимаемых сигналов.

2) Повсеместное внедрение и рост конкуренции среди производителей диктует новые требования непосредственно к параметрам приёмо-передающего оборудования. Простота реализации должна позволить выпускать устройства массово, как говориться «поставить производство на конвейер». В то же время, совершенствование оборудования должно сопровождаться его удешевлением с целью доступности наибольшему числу конечных пользователей.

Именно поэтому всем без исключения производителям оборудования всё чаще приходиться искать новые методы для решения вышерассмотренных проблем. Анализ структуры трактов приёма-передачи и обработки информации современных радиотехнических систем [1] позволяет сделать вывод, что эти проблемы в большинстве своём связаны с усилителями радиочастотных сигналов.

Ввиду вышеперечисленных проблем и того, что основное функциональное назначение радиочастотных усилителей – повышение уровня входного/выходного сигнала без недопустимых искажений его формы, спектрального состава или ухудшения отношения сигнал/шум, то к усилительным каскадам широкополосных беспроводных сетей передачи стандарта WiMAX выдвигаются жёсткие требования, такие как:

Выполнение этих требований позволяет создать экономичный и высоколинейный усилитель мощности, пригодный для построения трактов передачи беспроводных сетей стандарта WiMAX со сложной модуляцией OFDM с множеством несущих.

Из всего вышесказанного можно сформулировать цель дальнейшей работы, как снижение уровня межполосной интерференции групповых сигналов, связанных с усилителями передающих трактов сетей широкополосного доступа передачи данных.

3. Выбор оптимального схемотехнического решения

Как известно из теории транзисторов [2], высокой линейностью обладают каскады имеющие отрицательную обратную связь (ООС). Схемы включения с ОБ имеют внутреннюю ООС «от природы» и работают в диапазонах частот до 10 ГГц. Хорошими характеристиками усиления высокочастотных сигналов обладают и полевые транзисторы, но их шумовые характеристики хуже, чем у биполярных. В то же самое время, до появления арсенидо-галиевых транзисторов в составах СВЧ устройств широко использовался каскад с общей базой. Поэтому дальнейшая работа предполагает оценку возможности использования каскада с ОБ в современных сетях WiMAX на частоте 2,4 ГГц.

Из разработок в области малошумящих суперлинейных усилителей, которые в частности используются для сигналов с OFDM, выделяют два основные схемотехнические решения [1]. Первое - это так называемые «двухтактные» или Push-Pull-усилители. Отличительной особенностью данной схемотехнической концепции является двухканальное противофазное усиление сигналов с последующим объединением откликов подканалов в выходном сумматоре. При этом происходит подавление высших паразитных гармоник в спектре сигнала. Для формирования противофазных сигналов на входе усилителя используется специальный трансформатор «расщепитель фазы».

Преимущества двухтактного усилителя следующие:

1) Двухтактная схема упрощает согласование.

2) Наличие «виртуальной» земли, что позволяет использовать большое количество компактных и более простых согласующих устройств.

3) Отсутствие в выходном сигнале четных гармоник 2F1, 2F2 и т.п., а также их комбинаций типа F2-F1, Fl +F2 и т.д.

Традиционной конфигурацией усилителей для СВЧ-приложений является также балансный усилитель. В нем используются 90-градусные разделитель сигналов (на входе) и объединитель (на выходе) (шлейфный направленный ответвитель [3]).

Преимущества балансного усилителя следующие.

1) Хорошая изоляция между двумя половинами устройства, что улучшает стабильность усилителя в широкой полосе частот.

2) Хорошая согласованность входа и выхода благодаря использованию 50-омной резисторной нагрузки, поглощающей возможные отражения сигналов.

3) Отсутствие гармоник типа 2F1 + F2, 2F2 + Fl, 3F1, 3F2 ... и ослабление на 3 дБ комбинационных частот типа F1-F2, Fl + F2, 2F1, 2F2 ...

4) Простота проектирования и интегрирования квадратурных расщепителей фазы (направленных ответвителей).

Оба варианта имеют практически одинаковые характеристики, но для дальнейшей работы выбор сделан в пользу балансного усилителя, ввиду более простой его практической реализации. В качестве схемы замещения транзистора для моделирования усилительного каскада в пакете Microwave Office выбрана линейная схема замещения. Окончательная конфигурация – балансный каскад с общей базой.

4. Дальнейшие задачи исследования и разработки

Дальнейшими задачами исследования и разработки являются:

Выполнение этих задач позволит обеспечить условия достижения поставленной ранее цели дальнейшей работы. Отметим также, что, применяя подход совершенствования существующих и в значительной мере исследованных структур передающих трактов, можно существенно уменьшить стоимость конечного оборудования, что в свою очередь повлечёт за собой расширение рынка предоставляемых услуг и рост числа пользователей этими сервисами. На сегодняшний день эта задача является приоритетной для множества телекоммуникационных компаний.

Литература

[1] В.М. Вишневский, А.И. Ляхов и др. Широкополосные беспроводные сети передачи информации.- М.: Техносфера. -2005. -595 с.

[2] И.П.Степаненко. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. -М.: Энергия. -1977. -672 с.

[3] Г.И. Веселов. Микроэлектронные устройства СВЧ. -М.: Высшая школа.-1988. -277 с.