העיצוב של RF (Radio Frequency) מגברי חשמל הוא אבן הפינה של תקשורת אלחוטית מודרנית, תוך התבססות על הכל מתחנות בסיס סלולריות וקישורים לווייניים למערכת מכ"ם ואינטרנט של דברים (IoT).כפי שספקטרום הופך צפוף יותר ויותר ויישומים דורשים שיעורי נתונים גבוהים יותר ואמינות גדולה יותר, הביצועים של ממריצים אלה עומדים בפני מגבלות אי-נוחות.

יסודות של הדור ההרמוניה ב-RF Power Amplifiers

[המוסר] נובע מהלא ליניאריות הטבועה של מכשירים פעילים – טרנזיסטים זמניים – בשימוש במגברי כוח RF, כאשר אות קלט סינוסאיד אידיאלי מוחל על מגבר ליניארי מושלם, הפלט יהיה העתק בקנה מידה עם לא רכיבים נוספים של תדרים: 1Ftime מציג מאפיינים העברה לא ליניארית עקב הבנייה הפיזית שלהם (למשל, מוליכים למחצה, צומת של 3/10Fn)

חומרת הדור ההרמוני קשורה קשר הדוק למעמד התפעולי של המגבר. Class A a amplifiers, אשר מוטה על מנת לבצע ברציפות, לייצר עיוות נמוך יחסית, אך על חשבון יעילות ירודה. Class B ו- Class AB מגבירים את היעילות על ידי הפחתת זווית התנהגותית, אך זה מציג אי-לינאריות חזקות יותר וכתוצאה מכך תוכן הרמוני גבוה יותר.

מעבר לטרנסטור עצמו, הדור ההרמוני יכול לנבוע מעיוותים בלתי-תואמים, אלמנטים טפילים, ולא ליניאריות במרכיבים פסיביים כמו קפקאים ומחנכים.רשת תפוקה מעוצבת גרועה יכולה לשקף הרמוניות בחזרה לתוך המכשיר, יצירת עיוות נוסף ועלולים לגרום לאי יציבות או בעיות אמינות.הבנת שורש התוכן הרמוני חיוני לבחירת אסטרטגיות דיכוי יעילות ביותר.

מדוע דברים מדכאים הרמוניים

המונחים: Compliance

כמעט כל מדינה מטילה מגבלות מחמירות על כמות הקרינה ההרמוניה כי ציוד אלחוטי יכול פולט.גופים כגון ועדת התקשורת הפדרלית של ארצות הברית (FCC) והמכון האירופי לתקני התקשורת (ETSI) אשר יכול לפלוט פליטות מזעזעות, כולל הרמוניות, חייב להיות מתחת לרמות מוגדרות ביחס ליסוד, לעתים קרובות בטווח של -60 dBc ל- -80Bc עבור קיבולת גבוהה, כדי להעביר ציוד מסחרי, או מגבלות על ידי הכחשה, עבור ציוד לא ניתן לענות על ידי ניכויים מסחריים.

יעילות והתאמה של ערוץ Adjacent

הרמוניים הנופלים בתוך הלהקה המבצעית של שירות אחר יכולים לגרום להפרעה משבשת.לדוגמה, ההרמוני השני של 900 מדינות אותות GSM MHz ב-1.8 GHz, להקה המשמשת מערכות תקשורת שונות.אפילו הרמוניות חלשות יחסית יכולות להפליג מקלטים סמוכים, להפחית את יכולת הרשת, ולצמצם את חוויית המשתמש.בתחנות בסיס מתקדמות, שחייבות לתמוך ב-4G, 5G, ו-Fiage, מזיקות, במקביל, היא שמירה על טוהר משותף, ולהפחית את יכולת ההדליפות.

קוהרנטיות וטעמה Vector Magnitude

במערכות מודולריות דיגיטליות, עיוות הרמוני תורם לאי-לינאריות הכוללת, מדדים גוברים כגון גודל וקטורת שגיאה (EVM) ויחס כוח ערוץ צמוד (ACPR) גבוה EVM מוביל לשגיאות קטנות וצמצום באמצעות לוח, בעוד ש- ACPR גבוה יכול להסוות במסכות בערוצים הסמוכים ולפר מסכות ספקטרום.

יעילות וניהול ארסמל

אנרגיה הרמונית שאינה מקרינה או אחרת בעומס לעתים קרובות מתפוררת כמו חום בתוך המגבר. כוח מבוזבז זה מקטין את היעילות הכוללת ומקומות נטל נוסף על מערכת הניהול התרמית.עבור עיצובים בעלי יכולת גבוהה או גבוהה, דיכוי הרמוני יעיל - בין אם באמצעות התאמה, סינון או בחירת מכשירים - יכול לשפר באופן משמעותי את יעילות המערכת ואמינות.

טכניקות מפתח לדיכוי הרמוני

מהנדסים מעסיקים מגוון של טכניקות ברמת מעגלים ורמת מערכת כדי להפחית את הרמוניות.הגישה האופטימלית תלויה בארכיטקטורה של המגבר, תדירות הפעלה, רוחב פס ורמת כוח.

המונחים:

השיטה הפשוטה ביותר היא להכניס מסנן נמוך או לעקוף בין הפלט המגבר לבין האנטנה.פילטרים אלה נועדו להעביר את התדר הבסיסי עם אובדן כניסה מינימלי תוך שיפור עמוק של הרמוניות.

  • (FLT:0) מסננים של יישום 1 (Lumped-element) באמצעות מחנכים ו- capacitors הם מתאימים לתדרים עד כמה ג'יגה'רצץ ורמות כוח נמוכות לבינוניות.הם מציעים גודל קומפקטי אבל יכול לסבול מדחיית עצירה מוגבלת ובקרת חשמל.
  • (FLT:0Distributed (שורה של רנסט) מסננים 1:1 כגון מסננים מגובה נמוך או מסננים של פסים קו משותף להשיג דחייה גבוהה ולנהל כוח גבוה יותר, במיוחד בתדרים מיקרוגל.הם בדרך כלל מיושמים על לוחות מעגלים מודפסים או כמחזרי קרמיקה.
  • (FLT:0)כבדות ופילטרים של גל (Gateueph) מספקים אובדן נמוך מאוד ו- Q גבוה מאוד, מה שהופך אותם אידיאליים עבור תפוקות שידור בעוצמה גבוהה, שבו אפילו 0.1 dB של אובדן סינון מתורגם לניתוק תרמי משמעותי.

שיקול עיצוב קריטי הוא כי המסנן עצמו חייב להיות מותש כראוי הן בתדרים הרמוניים והן יסודיים כדי למנוע יצירת השתקפות שיכולה לחדד ביצועים מגבר.

הנדסה הרמונית וגלפורמול

במקום לסנן הרמוניות לאחר שהן נוצרות, כוונון הרמוני שמטרתו למנוע את יצירתן במקור על ידי עיצוב המתח ואת גלפורות נוכחיות בטרינר ניקוז (או אספנים) גישה זו היא מרכזית לשיעורים מוגברים כגון Class F ו- inverse F. בכיתה F., רשת הפלט מיועדת להציג מעגל קצר אפילו נזקי חום ופגיעה אפיונית במתחים עכשוויים, תוך כדי צמצום של 100% של תפקודים מסוג F.

כוונון הרמוני מעשי משתמש לעתים קרובות בשילוב של גאדג'טים פתוחים וקצרים, קווי שידור, ואלמנטים מגושמים.הטכניקה רגישה לפס רוחב פס - החל מעבודות דיסקרטיות פועל היטב עבור עיצובים צרים אבל הופך לאתגר עבור מגברי פס רחב שבו יש לנהל מספר רב הרמוניות במקביל.

התאמת טעינה ועומס - אופטימיזציה

הדחף שהוצג לטרנסטור בתדרים פונדמנטאליים וההרמוניה משפיע באופן משמעותי על הדור ההרמוני.שימוש במדידות עומס או סימולציות, מהנדסים יכולים לקבוע את המקור האופטימלי ועומס כי ממזער את התפוקה הרמונית תוך כדי למקסם את הרווח והיעילות.תהליך הזה בדרך כלל כרוך בסחוט את קווי המתאר המוקפים בנזקים מרובים ובחירת עיצוב זה פוגעני הטוב ביותר.

[התאמת] נכונה מסייעת גם לנהל השתקפות שיכולה להחריף עיוות הרמוני.התפוקה תואמת באופן לא תקין בנזקי השני, למשל, יכולה לשקף אנרגיה בחזרה אל הטרנזיסטור, לשנות את נקודת התפעול שלה וליצור הרמוניות נוספות. "התבואה השנייה-הרמוניה" היא טכניקה ידועה כדי להתאים את האימפולס ב 2FLT:0falure: 1Freaure:2Freatation: 1Firdralralration: 1Fir: 1Firdration 2.

« מזון ודעה קדומה

בנוסף לגישות פסיביות, טכניקות לינאריזציה פעילה יכולות להפחית את התוכן ההרמוני. Envelope מעקב (ET) ו predistortion דיגיטלית (DPD) משמשים נרחב במגברי תחנת הבסיס כדי לשפר את הליניאנס והיעילות. בעוד DPD מתקן בעיקר לעיוותים בין-ממדיים ו- amplitude-to-phase (AM-PM) המרה, הוא יכול גם מודל ומדכאיק את התיקון בתוך רוחב הפס, במיוחד אם יש לו נזק להפחתה של חומר דינמית מספיק כדי לנטראקטיבי, באופן דומה לנטראקטיבי, כך, כך, באופן דומה, כדי לנטרקועית, כך, כך, באופן דומה, כדי לנטרקודקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדקדק, כדי לנטרקועית, כדי לנטרקועית, כך, באופן דומה, כך, כך, כדי לנטרפול-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-

משוב (למשל, משוב קרטסיאני, משוב הקוטב) נפוץ פחות בעיצובים RF בעוצמה גבוהה עקב אתגרים יציבות בתדרים גבוהים, אבל זה נשאר רלוונטי ליישומים כוח נמוך או בינוני שבו לינאריות היא רבת ערך.

התנצלות מתקדמת

כמה ארכיטקטורות מגבר מציעות ביצועים הרמוניים טובים יותר.המגר הדורטי, למשל, משתמש במגבר הראשי (Class B/AB) ומגבר עליון (Class C) המשלב פלטים בין היתרים בין רבע גליגל למוליד (Gateance invertonic) גם מגבר השיא הופך רק ברמות כוח גבוהות, ומפחית את המגבר הראשי של מגבת הגב של המגבר ובכך לא ניתן לשילוב של ה-Doreopeness על מנת לדיכוי הרחב של ה-Dorelimate.

שיקולים מעשיים בעיצוב מדכא הרמוני

Bandwidth לעומת דיכוי

קיים פער מסחרי בסיסי בין רוחב הפס שעליו מדכאים הרמוניים לבין עומק הפילטרים של Narrowband יכולים להשיג דחייה מצוינת (50-80 dB) אבל רגישים לייצור סובלנות וסחף טמפרטורה.עיצובים רחב פס, כגון אלה הדרושים לרדיו המוגדרים על ידי תוכנות מרובות-octave, עשויים להשיג רק 10–20 dB של דיכוי הרמוני בלהקות.

השפעות כוח ואפקטים חמים

מגברי כוח גבוהים מייצרים חום משמעותי, ורכיבי סינון - במיוחד משטחים קרמיקה קיבולים או בעלי רמות גבוהות של Q - יכולים לסבול מהתחממות עצמית, מעדנים, ובעיות אמינות. לדוגמה, תדירות הפחתת עצמה של משמרות קפאוטר עם טמפרטורה, פוטנציאל להפחית את יעילותה במסנן הרמוני.

אתגרים משמעותיים וסימולציות

מודלים מדויקים של התנהגות הרמונית דורש מודלים transistor לא ליניארית כי הם בתוקף מעל התדירות הבסיסית - לעתים קרובות עד 5 או 7 הרמונית הרמונית.מודלים רבים מצאויים רק מאומתים על בסיס היסוד, מציג אי ודאות כלי סימולציה הרמונית איזון הרמוני (למשל, Keysight ADS, Cadence AWR) הם סטנדרטיים, אבל התוצאות תלויות במידה רבה על איכות המודל והשילוב של רכיבי הפחתת הפחתת הפחתת הספקטרום (opic) או ספקטרום, במיוחד, בעיקר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, תכונות ספקטרום (אפקטים, כלומר, כלומר, כלומר, תכונות ספקטרום מינימליות, תכונות ספקטרום).

עלויות וגודל Constraints

במוצרים מסחריים, עלות ומרחב לוח הם תמיד מגבילים גורמים. מסנן חלל עשוי לספק דחייה הרמונית מעולה אבל הוא גדול מדי ויקר עבור טלפון חכם או תחנת בסיס קטנה.בדרך כלל, מסנן פשוט LC נמוך עשוי להיות זול אבל מציע רק דיכוי שולי.המעצב חייב לשקול גורמים אלה, לעתים קרובות אופטימיזציה של כוונון משולב בתוך MM מגבר, אשר עצמו יכול לספור את המרכיב החיצוני.

מגמות ומגמות עתידיות

גליום ניליד (GaN) טכנולוגיה

(ה-HMTs) הגדילו את הטכנולוגיה הדומיננטית של מגברי RF בעוצמה גבוהה, המציעים יעילות גבוהה, צפיפות כוח גבוהה ורוחב רוחב פס רחב.עם זאת, מכשירים GaN מפגינים אי-לינאריות חזקים, במיוחד בדגמי ה-D2 והחמישי, בשל ההשפעות הגבוהות שלהם על המוליכים והמלכודת הקשורות ל-GMAFic במיוחד ל-GIFic-Ric-GRic-GRic-Ric-GRic-R.

ביטול הרמוני

עם התפשטות של ממירים דיגיטליים-ל-אנליזה במהירות גבוהה (DACs) עם רוחב פס רב-ג'יגהרץ, זה עכשיו אפשרי מראש למניעת אות הקלט כדי לבטל הרמוניות בפלט.טכניקה דיגיטלית זו (DHC) דורשת התאמה מדויקת של פונקציות ההעברה ההרמוניות של המגבר ותיקון בזמן אמת.

אופטימיזציה של Machine Learning Optimization

כלים עיצוביים מונעים על ידי בינה מלאכותית מתחילים לסייע ב-Cination של מעגל הדחקה הרמונית.שימוש באלגוריתמים גנטיים או למידה חיזוקית, מהנדסים יכולים לחקור באופן אוטומטי את המרחב העצום של סינון אפשרי להתנצלות, להתאים ערכי רשת, נקודות הטיה למציאת פתרונות העומדים בדיכוי הרמוני, יעילות ומטרות רוחב פס.

פילטרים של Chip Harmonic Filters

עבור מסנני RF משולבים לחלוטין (למשל, עבור 5G לחיצות), על סיננות על שבב עשויים מ inducators, MIM capacitors, ודרך-silicon באמצעותs (TSVs) מפותחים.מרכיבים אלה יכולים להשתלב ישירות לתוך סיליקון או SiGe BiCMOS תהליך, חיסול רכיבים חיצוניים וצמצום גודל המודול.

מסקנה

דיכוי הרמוני בעיצוב כוח RF הוא משמעת רבת פנים נוגעת בפיסיקה המכשיר, תיאוריית המעגל, תאימות אלקטרומגנטית ואדריכלות ברמת מערכת. כמו מערכות אלחוטיות ממשיכות להתפתח לעבר תדרים גבוהים יותר, רוחב פס רחב יותר, ומגבלות ספקטרליות יותר, החשיבות של שליטה בזיהומים חשמליים רק מגבירה.