ОБГРУНТУВАННЯ СУЧАСНИХ ПІДХОДІВ РЕАЛІЗАЦІЇ ВИСОКОЛІНІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ ПОТУЖНОСТІ НА ОСНОВІ EE&R ТЕХНІКИ ДЛЯ СИСТЕМ МОБІЛЬНОГО ЗВ’ЯЗКУ
О.М. Геращенко, студент групи ТКС-07м
Збірка студентських наукових робіт факультету КІТА, 2007р.
В статті наводиться сучасна концепція реалізації підсилювача потужності, задовольняючого вимогам стандартів другого та третього поколінь мобільного зв’язку. Розглядається модель підсилювача класу С на базі СВЧ транзистора. Для забезпечення високого ступеню лінійності, особливо для складних сигналів із змінною огібаючою ( QAM), використовується EE&R ( Envelope elimination and restoration) техніка. В статті розглядається загальний принцип побудови підсилювачів без апаратної деталізації складових елементів, як приклад ефективності використання даного типу підсилювачів, наводяться результати порівняльного аналізу із звичайним підсилювачем класу АВ.
Сучасні тенденції розвитку телекомунікаційної галузі, особливо в сфері бездротових технологій показують невпинне зростання швидкостей передачі інформації, що реалізуються за рахунок використання більш складних методів з одночасною амплітудною та фазовою модуляцією, тим самим збільшуючи вимоги та складність реалізації підсилювачів потужності. Підсилююче обладнання сучасних бездротових мереж GSM, WCDMA, CDMA2000 1xEV-DO повинно мати показники:
- Високої енергетичної ефективності
- Можливості реалізації ступеневого регулювання потужності
- Високої лінійності передаточної характеристики
- Стабільності в робочих умовах
Висока енергетична ефективність активного обладнання є одним з найважливіших показників, оскільки забезпечує не тільки економічну перевагу зменшення поглинання потужності, а ще й спрощення охолоджуючого механізму, більший термін експлуатації, а в разі реалізації всередині мобільних пристроїв абонентів – менші розміри, вагу та довший термін роботи без дозарядження.
Висока ефективність реалізується за рахунок обрання режиму роботи активного елемента – транзистора. До таких відносять класи С, В, АВ. Досить ефективним є клас С, дозволяючи отримувати теоретичну ефективність до 70%.
Активне обладнання реалізуються у вигляді системи паралельно працюючих підсилювачів, які об’єднуються за допомогою системи розподілення/об’єднання потужності та під’єднуються залежно від необхідного рівня вихідного сигналу, реалізуючи механізм ступеневого регулювання потужності вихідного сигналу. Цей механізм дозволяє гнучко керувати вихідною потужністю, збільшуючи термі дії акумуляторів, особливо в районах з великою щільністю базових станцій ( БС ), де нема необхідності випромінювати на повній потужності. Окрім цього це дещо збільшує ефективність при від’єднанні зайвих підсилювачів, зменшуючи поглинання потужності живлення.
Висока енергетична ефективність підсилювачів зменшує складність та вартість активного обладнання базових станцій, оскільки заміняє необхідність використання каскадних схем менш ефективних підсилювачів. Протягом довгого часу в галузі мобільного зв’язку використовувались підсилювачі класу АВ, оскільки вони дозволяють отримувати пристрої з досить високою лінійністю, хоча і мають малу ефективність ( близько 30 %).[2]
Проблема побудови високолінійних пристроїв викликана ефектом інтермодуляції, появою зайвих спектральних компонент в спектрі сигналу та в сусідніх каналах в результаті взаємодії з нелінійним пристроєм. Особливо чітко це проявляється для комплексних сигналів із змінною обвідною систем другого та третього поколінь мобільного зв’язку.
Методи кутової модуляції використовуються в системах EDGE – 8PSK, WCDMA, CDMA2000 1x – QPSK, методи із комплексною модуляцією в системах CDMA2000 1xEV-DO – 16QAM (release B – 64QAM).
Система GSM використовує частотний метод модуляції з мінімальним зсувом (GMSK), що дозволяє отримувати порівняно вузький спектр сигналу з постійною обвідною.
Хоча теоретично сигнали кутової модуляції є сигналами з постійною обвідною та можуть бути підсилені на досить нелінійних пристроях без значного спотворення, але для зменшення полоси сигналу він проходить процес фільтрації, що поглинає бокові спектральні компоненти, які забезпечують постійність обвідної сигналу [4 с 46]. Тому реально сигнали 8PSK, QPSK є сигналами з обвідною, що коливається, відношення максимального рівня сигналу до середнього ( peak to average ratio PAR) складає 3.2 дБ [5, с 13]. Техніка EE&R [5 c 426, 6] дозволяє створювати потужні, високоефективні підсилювачі з досить прийнятною лінійною характеристикою, що знаходять своє використання в мережах 2G та 3G.
На рис 6 наведена спрощена структурна схема підсилювача. Вона складається з розподілювача потужності, детектора обвідної, підсилювача обвідної, обмежувача та високоефективного підсилювача класу С.
Рис 2 Блок – схема підсилювача EE&R
Підсилювач складається з двох гілок: одна для високопотужного підсилення вискокочастотного радіосигналу, інша для підсилення обвідної комплексного вхідного сигналу.
Складний сигнал із змінною обвідною розподіляється між обома гілками за допомогою вхідного моста. Сигнал, що потрапив у першу гілку проходить процес амплітудного обмеження, після чого, високочастотний сигнал з незмінною обвідною надходить на вхід високоефективного підсилювача потужності, який працює в класі С. Одним з можливих варіантів реалізації є підсилювач на основі біполярного транзистора за схемою ОБ. Ця схема дозволяє отримувати значний коефіцієнт підсилення, має лінійні характеристики, зменшуючи спотворення сигналу, має властивості незначної варіації АЧХ в широкому діапазоні частот, хоча дещо складніша в забезпечені стабільності.
Сигнал іншої гілки надходить на АМ детектор, після чого отриманий низькочастотний сигнал обвідної проходить процес підсилення. Підсилювач обвідної може бути реалізований, як ефективний аудіо підсилювач або на основі широтно-імпульсної модуляції та підсилювача класу S.
Підсилювач обвідної керує підсилювачем класу С, його вихід під’єднується до схеми живлення/зсуву транзистора, таким чином залежно від коливання низькочастотної обвідної змінюється зачиняюча напруга транзистора, тим самим проходить процес амплітудної модуляції високочастотного радіосигналу.
Прикладом даного підходу є реалізація підсилювача на основі біполярного транзистора ACRIAN PB-8018. Результати вимірювання амплітудної характеристики та ефективності порівняно зі звичайним підсилювачем класу АВ наведені на рис 2. [6]
Дана структура підсилювача потужності показує гарні результати відносно забезпечення високого ступеню лінійності передаточної характеристики, високої енергетичної ефективності.
Рис 2. Порівняння енергетичної ефективності та амплітудної характеристики звичайного ПП класу АВ та підсилювача EE&R
Спектр амплітуд вихідного сигналу підсилювача з використанням лінеаризації та без наведений на рис 3. Видно, що техніка лінеаризації дозволяє зменшити рівні бокових інтермодуляційних компонент майже на 20 дБ.
Рис 3. Спектр амплітуд сигналу на виході ПП з лінеаризацією та без.
ВИСНОВКИ
Технологія EE&R дозволяє створювати високолінійні підсилювачі потужності, що забезпечують прийнятний рівень інтермодуляційних компонент, високу ступінь лінійності передаточної характеристики та вихідного радіосигналу, отримуючи при цьому значно більшу енергетичну ефективність ніж підсилювачі класу АВ.
Для покращення показників якості даної технології можна порекомендувати для підсилювача потужності використовувати схему включення активного елемента з ОБ, оскільки порівняно зі схемою ОЕ вона має більш лінійні передаточні характеристики.
Крім цього додатково в цій системі можна використовувати інші методи лінеаризації, наприклад введення зворотнього зв’язку, предспотворення та інші.
Даний напрямок реалізації підсилювачів є дуже ефективним, що викликає великий інтерес з точки зору подальшого вивчення та поліпшення характеристик підсилювачів потужності даного класу.
ЛІТЕРАТУРА:
1. "A Monolithic MEMS Switched Dual-Path Power Amplifier" M. Kim, Memeber, IEEE, J. B. Hacker, Member, IEEE, R. E. Mihailovich, Member, IEEE, and J. F. DeNatal
2. "High Efficiency Power Amplifiers for 3G Wireless Base Station", Department of Electrical Engineering, University of California, Los Angeles, California, 90095, 2003
3. "A New Input Power Divider Scheme for Dual-State Amplifiers", Younkyu Chung, Dal Ahn, Ethan Y. Wang, and Tatsuo Itoh,
Department of Electrical Engineering, University of California, Los Angeles4. "Rf Microwave Circuit Design For Wireless Apllications" - Rhode, Ulrich L. (Wiley, 2000)
5. "High Linearity RF Amplifier Design" , Peter Kenington, London 2000
6. "A high efficiency linear amplifier for cellular telephony", M. J. Koch R. E. Fisher,AT&T Bell Laboratories. Whippany, New Jersey 07981
