Использование частотно-селективных методов для повышения эффективности усилителя мощности

Усилители мощности (УУ) являются фундаментальными строительными блоками в современных радиочастотных (РЧ) и микроволновых системах, от сотовых базовых станций и спутниковых транспондеров до радиолокационных передатчиков и беспроводных устройств Интернета вещей (IoT). Их основная роль заключается в повышении радиочастотного сигнала малой мощности до уровня, подходящего для передачи на большие расстояния или через потери среды. К сожалению, ни один усилитель постоянного тока не является идеально эффективным; значительная часть поставляемой мощности постоянного тока (DC) рассеивается по мере того, как температура, повышение температуры устройства, снижение надежности и увеличение эксплуатационных расходов. По мере того, как стандарты связи развиваются, чтобы требовать более высоких скоростей передачи данных и более широких полос пропускания (например, 5G-NR с агрегированием несущих, охватывающих сотни мегагерц), поддержание высокой эффективности в многооктавных частотных диапазонах стало критической проблемой. Частотные методы - методы, которые формируют импеданс усилителя и напряжения / токовые формы волн на конкретных частотах - предлагают мощный путь к реализации высокой эффективности без ущерба для эффективности усилителя мощности, объясняет ключевые

Понимание эффективности усилителя мощности

Эффективность в усилителе мощности чаще всего выражается как эффективность дренажа (η_D) = P_{RF out} / P_{DC в}. Близкородной метрикой является эффективность с добавлением мощности (PAE), которая учитывает мощность RF, необходимую для привода усилителя: PAE = (_{]RF out} − P_{RF в} RF в_{DC в}. Оба соотношения безразмерны и обычно выражаются в процентах. В приложениях с высокой мощностью даже несколько процентных пунктов улучшения переводят в существенную экономию энергии и снижение требований к охлаждению.

Классические топологии линейных усилителей — класс А, АВ, В и С — достигают эффективности за счет линейности или наоборот. Например, усилитель класса А (угол проводимости 360°) теоретически может достигать 50% эффективности отвода при полной выходной мощности, но резко падает при уровнях мощности обратного отвода, обычно используемых для поддержания линейности. Класс B (угол проводимости 180°) повышает пиковую эффективность до 78,5%, в то время как класс C (<180°) может превышать 80%, но вводит серьезные искажения. Эти обычные классы полагаются только на угол проводимости транзистора; они не используют частотные зависимые окончания импеданса для формирования напряжения и форм тока. Частотные методы, напротив, намеренно проектируют гармонические и внеполосные импедансы усилителя для уменьшения рассеивания мощности в транзисторе при сохранении целостности сигнала.

Эффективность также тесно связана с линией нагрузки , представленной транзистору. Идеальная линия нагрузки для данного класса работы максимизирует качание напряжения (до напряжения пробоя транзистора) и качание тока (до максимального тока) одновременно. Частотно-селективное соответствие импеданса гарантирует, что импеданс нагрузки на фундаментальной частоте является оптимальным, в то время как гармонические окончания заставляют напряжение и формы тока быть как можно квадратнее — тем самым минимизируя перекрытие между напряжением и током, который является источником рассеивания мощности постоянного тока.

Ключевые частотные-селективные методы

Частотные методы можно разделить на две широкие категории: пассивные фильтрующие и соответствующие сети , которые обеспечивают частотно-зависимое преобразование импеданса, и активные методы , которые используют модуляцию нагрузки или модуляцию питания с учетом частоты. Ниже мы рассмотрим наиболее важные подходы.

Гармоническое прекращение и резонансные цепи

Простейшая частотно-селективная техника заключается в том, чтобы представить транзистору короткое замыкание (или открытый контур) на второй и третьей гармониках несущей частоты. В стандартном усилителе класса F выходная сеть предназначена для представления низкого импеданса даже на гармониках и высокого импеданса на нечетных гармониках. Это формование заставляет напряжение слива приближаться к квадратной волне, а ток слива выпрямленного синусоида с половиной волны, теоретически достигая 100% эффективности слива (на практике типично 80-90%). Резонансные резервуары LC, заглушки линии передачи и связанные резонаторы используются для реализации этих частотно-селективных терминаций. Конструкция требует тщательного контроля гармонических импедансов по всей рабочей полосе пропускания; в противном случае эффективность быстро ухудшается от частоты центра проектирования.

Обратный класс F (класс F⁻¹) делает обратное: даже гармоники открытые, нечётные гармоники короткозамкнутые, что приводит к аналогичной теоретической эффективности. Оба подхода по своей сути узкополосны, поскольку гармонические окончания фиксированы и чувствительны к частотным сдвигам. Для расширения полосы пропускания могут использоваться многорезонансные сети соответствия (например, ступенчатые импедансные фильтры, спаренные линейные фильтры), но сложность значительно возрастает.

Усилители Doherty Power

Архитектура Доэрти, изобретенная В. Х. Доэрти в 1936 году, представляет собой частотно-селективную технику, которая объединяет два усилителя — главный (носитель) усилитель и пиковый (вспомогательный) усилитель — через инвертированную сеть импеданса (обычно четвертьволновую линию передачи). При низких уровнях мощности работает только основной усилитель, а пиковый усилитель смещен в отсечку. По мере увеличения входной мощности пиковый усилитель включается и впрыскивает ток в нагрузку, динамически модулируя импеданс, наблюдаемый основным усилителем. Эта модуляция нагрузки эффективно снижает качание напряжения на главном усилителе в заднем отключении, повышая эффективность в широком диапазоне выходной мощности (6 дБ откатная эффективность может превышать 50% по сравнению с <30% для одного усилителя класса AB).

Частотная избирательность усилителя Доэрти возникает из четвертьволнового трансформатора и линий смещения, которые действуют как инверторы импеданса по ограниченной полосе пропускания. Современные широкополосные конструкции Доэрти используют инверторы импеданса многосекционного сечения, балуны со встроенной фильтрацией и цифровым пре-искажением для компенсации частотно-зависимых дисбалансов. Несмотря на эти достижения, достижение высокой эффективности более чем на одну октаву остается трудным, и необходимо тщательное моделирование паразитных элементов активного устройства.

Отслеживание и удаление конвертов и восстановление конвертов

В то время как отслеживание оболочек (ET) в первую очередь является методом модуляции питания, его можно комбинировать с частотно-селективным сопоставлением для повышения общей эффективности PA. В ET напряжение питания PA динамически регулируется для отслеживания оболочки радиочастотного сигнала, позволяя усилителю работать ближе к своей точке сжатия даже при большом обратном выключении. Ключевой частотно-селективный аспект заключается в конструкции модулятора питания: он должен иметь широкую полосу пропускания (следовать быстрым изменениям оболочек) при сохранении высокой эффективности. Сам усилитель мощности RF выигрывает от оптимизированных гармонических терминаций, которые остаются постоянными при изменении напряжения питания. На практике ET PAs достигают высокой средней эффективности для сигналов с высоким коэффициентом мощности (PAPR), таких как 4G / 5G OFDM.

Устранение и восстановление контура (EER) делает этот шаг дальше, разделяя фазовые и амплитудные пути. RF сигнал сначала расщепляется; амплитудная оболочка усиливается через высокоэффективный коммутационный модулятор питания, а фазово-модулированная несущая усиливается насыщенным (нелинейным) PA. Окончательный выход восстанавливается путем объединения амплитуды и фазы при сливе PA. EER требует чрезвычайно широкополосной модуляции питания и тщательного выравнивания задержки между двумя путями, но теоретически может достичь 100% эффективности. Его частотная избирательность присуща гармоническим окончаниям усилителя RF, которые должны быть рассчитаны на единую, постоянную оболочку — любая амплитуда изменения обрабатывается поставкой.

Удаление (LINC и Chireix)

Методы амплификации, также известные как линейное усиление с использованием нелинейных компонентов (LINC), объединяют два высокоэффективных коммутационных усилителя (класс D или E) с пассивным комбинатором. Входной сигнал разлагается на два константно-конвертных, фазово-модулированных сигнала. Путем корректировки разности фаз между этими двумя путями комбинатор производит переменную амплитуду выхода. Ключевой частотно-селективный компонент является самим комбинатором: комбинаторы Chireix используют шунтирующие чувствительности для компенсации реактивной нагрузки, наблюдаемой каждым усилителем на конкретных уровнях вывода, достигая высокой эффективности в диапазоне выходов 6 дБ. ширина полосы пропускания комбинатора и фазово-сменных сетей ограничивает общую рабочую полосу пропускания. В новых конструкциях используются комбинаторы на основе комбайнов с коммутацией с комбайном и трансформатором для расширения диапазона до нескольких октав.

Преимущества частотно-селективных методов

• Повышенная эффективность на целевых частотах: формируя напряжение и формы тока, частотно-селективные методы могут повысить эффективность отвода выше 70-80% даже в линейных классах по сравнению с <50% для обычного класса AB при полной мощности.
• Снижение рассеивания тепла и энергетических отходов: Более высокая эффективность означает, что меньше энергии теряется в виде тепла, что снижает затраты на управление теплом и повышает надежность системы (каждое снижение температуры соединения на 10 °C может удвоить срок службы транзистора).
• Улучшенное качество и стабильность сигнала (с правильной линеаризацией): многие частотно-селективные топологии, такие как Доэрти и аутфазирование, по своей сути поддерживают высокую линейность в сочетании с цифровым пре-искажением, позволяя им обрабатывать сложные модулированные сигналы без спектрального восстановления.
• Расширенный срок службы компонентов : Снижение теплового стресса снижает риск электромиграции, разрушения оксида затвора и усталости припоя, особенно в устройствах GaN и GaAs.
• Гибкость полосы пропускания : Расширенные многосекционные сети и настраиваемые элементы (варакторы, коммутируемые конденсаторы) могут обеспечивать частотно-селективную работу в нескольких диапазонах, что необходимо для агрегации несущих и многостандартных радиостанций.

Приложения в разных отраслях

5G/6G Сотовая инфраструктура

Массивные MIMO-массивы и небольшие ячейки в 5G требуют усилителей мощности, которые могут обрабатывать широкие мгновенные полосы пропускания (100 МГц до 400 МГц) и высокие PAPR (10-12 дБ). Доэрти и PA для отслеживания оболочек, оба с использованием частотно-селективного сопоставления, являются фактическими стандартами в базовых станциях. Последние PA Doherty на основе GaN достигают >55% эффективности при 8 дБ обратной связи по диапазону 3,4-3,8 ГГц. Для будущих систем 6G, которые могут использовать суб-THz частоты (100-300 ГГц), частотно-селективные методы должны будут справляться с экстремальной полосой пропускания и пассивными структурами с низкими потерями.

Спутниковая связь

Спутниковые транспондеры работают в широких частотных диапазонах (например, Ku-диапазон: 12-18 ГГц, Ka-диапазон: 26-40 ГГц) с очень ограниченной мощностью постоянного тока. Частотные выборочные гармонические терминации и методы нагрузочной модуляции помогают достичь высокой эффективности при соблюдении строгих требований линейности для работы с несколькими несущими. Усилители волновой трубки (TWT) исторически доминировали, но твердотельные усилители мощности (SSPA) с использованием GaN теперь конкурентоспособны благодаря передовому согласованию импеданса и охлаждению.

Радарные системы

Как военные, так и гражданские радиолокационные системы (например, AESA, метеорологический радар) требуют высокой пиковой мощности и высоких рабочих циклов. Частотно-селективная конструкция позволяет PA работать в импульсном режиме с максимальной эффективностью, превышающей 70%, сводя к минимуму размер и вес системы охлаждения. Для современных цифровых радиолокационных лучей, которые поддерживают несколько одновременных лучей, PA также должны иметь плоский коэффициент усиления и фазовый отклик на широкой мгновенной полосе пропускания - еще одна проблема, которую частотно-селективное соответствие может решить через сети выравнивания.

Беспроводная инфраструктура и IoT

Низкозатратные, высокоинтегрированные PA для Wi-Fi (2,4/5/6 ГГц) и Bluetooth Low Energy могут извлечь выгоду из простых сетей резонансного сопоставления, которые повышают эффективность на конкретных используемых каналах. В шлюзах IoT, которые объединяют много устройств с низкими скоростями, частотно-селективные методы позволяют одному PA охватывать несколько полос подГГц (например, 868 МГц, 915 МГц) с минимальной добавленной сложностью.

Вызовы и компромиссы

Несмотря на свои преимущества, частотно-селективные методы вводят несколько проблем проектирования. Во-первых, ограничение полосы пропускания является наиболее распространенным недостатком. Резонансные схемы и четвертьволновые трансформаторы по своей сути узкополосные; расширение их дробной полосы пропускания за пределы 20-30% часто требует многоступенчатых сетей, которые увеличивают потери вставки и физический размер. Использование настраиваемых элементов (варакторов, коммутаторов MEMS) может обеспечить реконфигурируемость, но они вводят дополнительные потери и нелинейность.