Введение
К современным системам мобильной связи предъявляются достаточно высокие требования, как относительно скорости передачи информации, так и обеспечения качества обслуживания. Тенденция развития данных систем демонстрирует постоянное увеличение скоростей передачи данных, вызванное прежде всего смещением приоритета пользователей на мультимедийные, бизнес-приложения, интернет. Эволюция систем беспроводной связи отразилась на усложнении технологий передачи, а соответственно и на оборудовании систем.
Для достижения высоких скоростей передачи и одновременно высокой спектральной эффективности применяются сложные, комплексные методы модуляции радиосигнала, которые характеризуются значительными изменениями уровня огибающей сигнала. Прежде всего это 3G, 4G системы с модуляцией типа КАМ-16, КАМ-64, однако и сигналы фазовой модуляции вследствие полосовой фильтрации также не могут характеризоваться наличием постоянного уровня огибающей. Кроме того данные системы характеризуются повышенной спектральной эффективность, т.е. максимальным уплотнением и сближением спектров соседних каналов, например методы доступа с ортогональным частотным разделением каналов реализуемые в системах четвёртого поколения. Это ведёт к росту требований линейности выходных каскадов аппаратуры базовых станций с целью минимизации интермодуляционных искажений сигнала, появлению паразитных спектральных компонент в соседних каналах. Усилитель мощности являясь одним из выходных каскадов передатчиков базовой станции, обеспечивает усиление радиосигнала и играет немаловажную роль в соблюдении требований линейности.
Обеспечение высокой линейности передаточной характеристики усилителя мощности достигается прежде всего разработкой специальных звеньев линеаризации, схемой включения активного элемента, выбора типа активного элемента, выбора класса работы активного элемента, реализацией выходной системой фильтрации высших гармоник.
Кроме требований повышенной линейности к усилителям мощности предъявляются также требования высокой энергетической эффективности с целью минимизации потребляемой электроэнергии, упрощения системы охлаждения.
Научная новизна
Разрабатывается высоколинейный усилитель мощности на основе микрополосковой технологии с применением предискажающего звена линеаризации и технологии дефективных структур основания микрополосковой линии. В ходе работы проводятся исследования возможности применения как аналоговой, так и цифровой системы предварительного искажения с целью обеспечения наилучших качественных показателей для сигналов различных видов модуляции. Технология дефективных структур микрополоскового основания является инновационной и применяется для оптимизации размеров согласующих цепей усилителя и создания максимально компактного выходного фильтра с целью фильтрации высших интермодуляционных гармоник.
Актуальность работы
Актуальность работы состоит в необходимости разработки высоколинейных усилителей мощности, удовлетворяющих требованиям стандартов современных систем беспроводной связи.
Предмет исследования: исследование современных способов повышения линейности характеристик усилителя мощности, создания широкополосных согласующих цепей, возможности применения технологии дефективных структур с целью оптимизации параметров усилителя.
Объект исследования: усилитель мощности как составной элемент передающего тракта беспроводного канала связи
Цель работы: целью магистерской работы является исследование и разработка высоколинейного усилителя мощности передатчиков систем мобильной связи, исследование современных способов повышения линейности характеристик и оптимизации параметров усилителя.
Основная часть
1.Обоснование структуры усилителя
Разрабатываемый усилитель мощности реализован на основе микрополосковой технологии и в общем случае состоит из трёх основных частей: предискажающего звена линеаризации, непосредственного модуля усиления и фильтра на основе дефективных структур микрополоскового основания.
Рис 1.1 Общая структура усилителя мощности
Необходимость применения предискажающего звена вызвана высокими требованиями обеспечения линейности передаточной характеристики усилителя с целью минимизации интермодуляционных искажений сигнала и уровней паразитных гармоник в соседних частотных каналах. Аналоговое звено может быть реализовано на основе диодов, управление передаточной характеристикой которого осуществляется путём изменения тока смещения цепи питания диода.
Непосредственно усилительный модуль представлен балансным усилителем мощности класса С с включением транзисторов по схеме ОБ и распределением мощностей с помощью направленного ответвителя Ланге.
Реализация балансного усилителя оправдана такими преимуществами как:
-
Возможностью построения высокомощных усилителей путём объединения с помощью мостов нескольких усилительных модулей;
-
Увеличением надёжности усилителя мощности, поскольку в случае выхода из строя одного усилительного модуля, будет продолжать работать второй, хотя выходная мощность УМ снизится, однако, это не приведёт к потере работоспособности всего канала связи;
-
Поглощением на балансной нагрузке моста отражённой волны вследствие рассогласования усилителя с соседними каскадами.
Усилитель работает в классе С поскольку таким образом обеспечивается высокая энергетическая эффективность и минимизируются проблемы устойчивости транзисторов, включённых по схеме ОБ. Выбор данной схемы включения вызван прежде всего преимуществом получения по сути любого коэффициента усиления, как функции от входного и выходного сопротивлений, а также увеличением линейности передаточной характеристики УМ.
Фильтр на выходе усилителя предназначен для фильтрации паразитных интермодуляционных гармоник и реализован на основе дефективной структуры микрополоскового основания. Данная технология обеспечивает минимальные геометрические размеры и высокие фильтрующие свойства.
2.Разработка усилительного модуля
В качестве активного элемента усилителя выбран СВЧ транзистор 2Т948А. Выбор осуществляется с учётом максимальной выходной мощности, диапазона рабочих частот, схемы включения. Данный транзистор работает в диапазоне 0.7 – 2.3 ГГц по схеме с общей базой и обеспечивает максимальную выходную мощность до 20 Вт, тем самым позволяя реализовать усилитель мощности для СВЧ передатчиков всех стандартов систем мобильной связи. Реализуя балансный тип усилителя, состоящего из двух модулей, достигаемая максимальная мощность равна 40 Вт.
В структуру модуля кроме транзисторов входят входные/выходные мосты для распределения/объединения сигналов, входные/выходные согласующие цепи, цепи питания и смещения.
В качестве мостов используются встречно-параллельные направленные ответвители Ланге, имеющие компактные размеры и широкополосные характеристики.
Синтез согласующих цепей осуществляется с помощью Microwave Office для рабочей частоты 1.8 ГГц с целью дальнейшего создания макета реального усилителя и проведения измерений основных параметров. Согласующие цепи состоят из двухступенчатых горизонтальных микрополосковых линий, трансформирующих активную составляющую сопротивления транзистора и вертикальных МПЛ, компенсирующих реактивную составляющую. Применение двухступенчатых трансформаторов сопротивления вызвано стремлением обеспечить постепенную трансформацию, тем самым увеличить ширину рабочей полосы усилителя.
Длина трансформаторов равна четверти волны:
где
с – скорость света;
f – рабочая частота;
ε– диэлектрическая проницаемость материала подложки, учитывается укорочение волны в диэлектрике.
Ширина перпендикулярной линии, компенсирующей реактивную составляющую, равна ширине 50 - омной линии на частоте 1.8 ГГц и определяется:
где
р – волновое сопротивление МПЛ;
w – ширина МПЛ;
h – высота диэлектрической подложки;
ε– диэлектрическая проницаемость материала подложки.
Синтез согласующих цепей проводится путём подбора значений ширины микрополосковых трансформаторов и длин параллельных компенсирующих МПЛ. На рис 2.2 представлена топология микрополсковых цепей усилительного модуля.
Рис 2.2 Микрополосковая топология усилителя мощности
Для минимизации размеров и оптимального размещения микрополосковой топологии усилителя на подложке, производится изгиб МПЛ.
Критерием качества при создании согласующих цепей является максимальное значение коэффициента передачи S21 и минимальне значения коэффициентов отражения S11 и S22. Кроме того оценивается значение инвариантного коэффициента устойчивости К, как функции от S параметров, который превышает 1, что означает устойчивость усилителя в рабочей полосе. Результаты моделирования приведены на рис 2.3.
Рис 2.3 Зависимость S параметров от частоты
Степень устойчивости и возможная область колебаний входного и выходного сопротивлений не приводящих усилитель к возникновению генераций, оценивается с помощью окружностей устойчивости. Типичное значение коэффициента стоячей волны антенны базовой станции VSWR=1.5, т.е. возможные колебания сопротивления антенны определяются:
где
Rmin – нижний предел изменения сопротивления;
Rmax – верхний предел изменения сопротивления;
VSWR – коэффициент стоячей волны.
Данный усилитель обеспечивает устойчивость в заданном диапазоне возможных колебаний импедансов, возможные пределы колебаний находятся внутри окружностей устойчивости УМ.
3. Исследование линеаризации характеристик УМ
В данный момент этот вопрос находится на стадии разработки. В магистерской работе планируется провести исследование возможности применения техники предварительного искажения сигнала на основе нескольких типов систем: аналоговой и цифровой системы предварительного искажения. Исследование возможностей применения того или иного типа системы проводится путём оценки показателей Adjacent channel power ratio (ACPR) ( отношение мощности гармоник сигнала в соседних каналах к уровню спектра рассматриваемого канала), а также Error vector magnitude ( EVM ) ( амплитуда вектора ошибки между векторами идеального и искажённого сигнала)с применением линеаризации и без. При моделировании используются сигнал разных типов модуляции для разных систем беспроводной связи, таких как EDGE с трёхпозиционной фазовой модуляцией 8PSK, систем третьего поколения с адаптивной модуляцией QPSK, QAM16, QAM64. Интерес вызывает исследование возможности применение той или иной системы для конкретного вида модуляции, обеспечивающего наилучшие показатели качества.
Аналоговые системы предварительного искажения основаны на применении нелинейных элементов, с помощью которых создаётся передаточная характеристика звена с определённой степенью нелинейности, позволяющей компенсировать нелинйности передаточной характеристики усилителя мощности.
Одним из результатов исследования на данном этапе является создание модели аналогового диодного звена предварительного искажения в Microwave Office и испытание его для сигнала квадратурной фазовой модуляции QPSK. Управление передаточной характеристикой звена осуществляется посредством изменения напряжения источников питания и сопротивлений токозадающих резисторов цепей смещения диодов, тем самым смещением рабочей точки диодов на определённый участок их нелинейной характеристики.
На рис 3.1 приведены спектры выходных сигналов для различных соотношений токов смещения. Как видно из анимации при определеённом подборе значений напряжений источников питания и сопротивлений резисторов удаётся снизить уровни паразитных спектральных компонент в соседних каналах с -10 дБ до -40 дБ .(мощность, дБм)
Рис 3.1 Спектры выходных сигналов усилителя мощности с применением аналогового предискажения.
На этапе исследования цифровой системы предварительного искажения планируется создание программного интерфейса между Microwave Office и системой визуального программирования LabView с целью моделирования радиочастотных сигналов в Microwave Office и осуществления цифровых преобразований с помощью LabView. Система цифрового предискажения рис 3.2 предполагает демодуляцию и цифроаналоговое преобразование выходного сигнала усилителя мощности, получение массива значений синфазных ( I ) и квадратурных ( Q ) составляющих вектора сигнала, оценка степени искажения сигнального созвездия, на основе чего преобразования синфазных ( I ) и квадратурных ( Q ) составляющих входного сигнала.
Рис 3.2 Блок-схема цифровой системы предискажения
4. Исследование технологии дефективных структур МПЛ
Технологии применения дефективных структур основания микрополосковой линии в настоящее время является инновационной и требующей дальнейших исследований. Приемуществом применения данной техники является построение достаточно компактных фильтров, направленных ответвителей, оптимизация участков микрополосковой топологии.
Целью данных исследований в магистерской работе является создание полосового фильтра для фильтрации паразитных боковых спектральных компонент выходного сигнала с минимальными геометрическими размерами и высокими фильтрующими свойствами. Данная технология основана на вытравливании геометрических фигур определённой формы и размера в металлическом основании микрополосковой линии. Это создаёт резонирующие эффекты для распространяющейся волны, тем самым влияя на электрически характеристики МПЛ, увеличивая её эффективную индуктивность и ёмкость.
Структура экспериментальной модели фильтра на основе дефективнх структур МПЛ приведена на рис 4.1. Верхний металлизированный слой - непосредственно микрополосковая линия, нижний слой - металлическое основание с дефективной структурой.
Рис 4.1 Исследовательский образец фильтра на основе дефективых структур МПЛ
Заключение
Современные системы беспроводной связи для достижения высоких скоростей передачи и высокой спектральной эффективности используют используют сложные методы модуляции и кодирования, что влечёт за собой повышение требований к передающему оборудованию. В частности проблема интермодуляционных искажений сигнала и паразитных спектральных компонент в соседних каналах напрямую связана с линейностью передающего тракта. Поскольку наибольшие искажения могут происходить на этапе усиления, особую роль в обеспечении высокой линейности играет построение высколнейных усилителй мощности.
При создании усилителей мощности решаются несколько взаимосвязанных проблем: обеспечение одновременно как высокой энергетической эффективности так и высокой степени линейности передаточной характеристики. Высокая энергетическая эффективность может быть обеспечена выбором класса работы транзистора с отсечкой тока (С, В, АВ), однако, в свою очередь это влечёт за собой искажение сигнала, в частности сигналов с переменной огибающей КАМ, применяемых в ситемах 3G, 4G. Для решения данных проблем разрабатываемый усилитель мощности дополняется внешней системой линеаризации и выходным полосовым фильтром.
Производится исследование системы лиеаризации на основе предварительного искажения радиосигнала с целью компенсации нелинейности передаточной характеристики непосредственно усилительного модуля. Исследуются аналоговая и цифровая система предискажения на предмет обеспечения наилучших показателей ACPR, EVR и других для сигналов разных беспроводных систем с различными типами модуляци.
Создание полосового фильтра производится на основе инновационной технологии дефективных структур микрополоскового основания. С помощью данной техники удаётся построить фильтр с минимальными геометрическими размерами и высокими фильтрующими свойствами.
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
