Hvernig á að bæta skilvirkni RF aflmagnara?

Grunnlögmál varmafræðinnar leiða í ljós að enginn rafeindabúnaður getur náð 100% skilvirkni - þó að aflgjafar séu tiltölulega nálægt (allt að 98%). Því miður geta öll tæki sem framleiða RF-orku sem stendur ekki náð eða nálægt hugsanlegri frammistöðu, vegna þess að það eru of margir gallar í því ferli að breyta DC-afli í RF-afl, þar með talið tap af völdum allrar sendingar merkisleiðarinnar, til notkunartíðni Tímatap og eðlislæg tjón tækisins. Í kjölfarið gerði grein í MIT Technology Review athugasemdum við RF aflmagnarann án undantekninga: „Þetta er mjög óskilvirkur vélbúnaður.“

Það kemur ekki á óvart að allir þættir framleiðenda raforkuafurða, allt frá hálfleiðara til magnara til sendenda, svo og háskóla og varnarmálaráðuneytis, eyða miklum tíma og fjármagni á hverju ári til að bæta skilvirkni raforkutækja. Það eru góðar ástæður fyrir þessu: jafnvel smávægileg aukning í skilvirkni getur lengt vinnutíma rafhlöðuafurða og dregið úr árlegri orkunotkun þráðlausra grunnstöðva. Mynd 1 sýnir hlutfall RF hlutans af heildarorkunotkun grunnstöðvarinnar.

Mynd 1: Bætið viðeigandi hlutum ýmissa útvarpsbylgjuafurða í orkunotkun grunnstöðvarinnar, lokaniðurstaðan verður ansi mikil.

Sem betur fer, eftir margra ára stöðuga viðleitni til að bæta RF skilvirkni, breytast þessar aðstæður smám saman. Sum þessara verkefna eru á tækjastigi, en önnur nota suma nýstárlega tækni, svo sem hjúpsmælingu, stafræna áætlun um dreifingu / minnkun þátta og notkun magnara sem eru lengra komnir en algengur flokkur AB.

Mikil breyting á hönnun magnara er Doherty arkitektúrinn, sem hefur orðið staðall fyrir grunnstöðvarmagnara innan 5 ára. Síðan Dr. Doherty frá Bell Laboratories (sem síðan varð hluti af Westinghouse Electric) fann upp þennan arkitektúr árið 1936 hefur hann verið þögull lengst af og hefur aðeins verið notaður í nokkrum forritum.

Rannsóknir Doherty hafa búið til nýja magnara uppbyggingu sem getur veitt mjög mikla aukna afköst þegar inntak merki hefur mjög hátt hámark og meðalhlutfall (PAR). Reyndar, ef rétt er hannað, er hægt að auka skilvirkni Doherty magnara um 11% í 14% miðað við venjulega sams konar AB magnara.

Auðvitað, í mörg ár eftir 1936, hafa aðeins nokkrar tegundir merkja þessi einkenni, svo sem AM og FM, sem nota mótunarkerfi í samskiptakerfum. Sem stendur mynda næstum hvert þráðlaust kerfi há PAR-merki, frá WCDMA til CDMA2000 í hvaða kerfi sem notar raðrétta tíðnisviðs multiplexing (OFDM), svo sem WiMAX, LTE og nú nýlega, Wi-Fi.

Mynd 2: Dæmigerður Doherty magnari

Klassíski Doherty magnarinn (mynd 2), sem hægt er að flokka sem álagstillingar arkitektúr, er í raun samsettur af tveimur magnurum: burðar magnari hlutdrægur til að starfa í flokki AB ham og hámarks magnari hlutdrægur í flokki C ham. Rafdeili deilir inngangsmerkinu jafnt á hvern magnara með 90 ° fasamun. Eftir magnun er merkið endursmíðað í gegnum aflrofann. Magnararnir tveir starfa á sama tíma þegar inntakstáknið er í hámarki og hver og einn hegðar sér sem burðarviðnám til að hámarka framleiðslugetu.

Hins vegar þegar slökkt er á inngangsmerkinu er Class C toppmagnari slökktur og aðeins Class AB burðar magnari virkar enn. Við lægri aflþrep, hegðar magnari Class AB sig sem mótaður álagsviðnám til að bæta skilvirkni og ábata. Með endurnýjuðum lífskrafti arkitektúrsins hefur Doherty magnarahönnun náð verulegum framförum í hröðum endurtekningum og náð miklum árangri.

Auðvitað er enginn arkitektúr fullkominn. Línuleiki og úttak máttur Doherty magnarans eru aðeins verri en tvöfaldur flokkur AB magnarinn. Þetta færir okkur aðra mikilvæga hringrás sem hefur orðið ómissandi val í samskiptaumhverfi nútímans: hliðræn og stafræn línurístækni. Algengasta notkun þessarar tækni er stafræn dreifing (DPD), stundum ásamt lækkun á skriðþætti (CFR). Bæði DPD og CFR geta dregið verulega úr röskun Dohertys og varkár hönnun tækja og magnara getur lágmarkað línulegt tap. Þeir eru þó ekki nákvæmlega skilgreindir til notkunar í Doherty magnara og áhrif þeirra eru nokkuð augljós þegar þau eru notuð í öðrum magnaramannvirkjum.

1. Bæta línuleika

Nútíma stafræn mótunartækni krefst þess að línuleiki magnarans sé nægjanlega mikill, annars verður röskun á mótum og myndgæði minnka. Því miður, þegar magnararnir skila sínu besta, eru þeir allir nálægt mettunarstigi. Seinna verða þeir ólínulegir, RF aflinn lækkar þegar inntakið eykst og veruleg röskun fer að birtast. Þessi röskun getur valdið yfirheyrslu milli aðliggjandi rása eða þjónustu. Fyrir vikið bakka hönnuðir venjulega RF-framleiðslugetuna í „öruggt svæði“ til að tryggja línuleika. Þegar þeir gera þetta eru margir RF smáir nauðsynlegir til að ná tilteknu RF framleiðslugetu sem eykur núverandi neyslu og leiðir til styttri rafhlöðulífs eða hærri rekstrarkostnaðar í grunnstöðvum.

DPD kynnir á áhrifaríkan hátt „andstæðingur-röskun“ við inntak magnarans og útilokar ólínuleika magnarans. Fyrir vikið þarf magnarinn ekki að falla aftur að ákjósanlegum rekstrarstað og því er ekki þörf á fleiri RF aflbúnaði. Eftir því sem magnarar verða skilvirkari er ávinningurinn minni kælikostnaður og öll mikilvæg orkunotkun. Þegar CFR er að vinna er röskun stöðvuð stöðvuð með því að draga úr hámarki og meðalhlutfalli inntaksmerkisins. Þessi aðferð dregur úr hámarksgildi merkisins svo að merkið veldur ekki klemmu eða röskun þegar það fer í gegnum magnarann. Þegar DPD og CFR eru notuð saman er hægt að ná meiri ávinningi.
2. Útfasa aflmagnaraaðferð

Önnur tækni er einkaleyfis tækni sem fundin var upp og haldin af Henri Chireix fyrir tæpum 80 árum. Það er venjulega kallað „outphasing“ (outphasing power magner, sem er meðlimur í load modulation tækni fjölskyldunni). Það er nú notað af Fujitsu, NXP o.fl. Til að bæta skilvirkni magnara. Það sameinar tvo ólínulega RF-magnara, sem eru knúnir áfram af merkjum af mismunandi stigum. Vegna þess að fasa er stjórnað, þegar framleiðsla merki er tengt, getur notkun RF-magnara í flokki B náð skilvirkni. Vandvirk hönnunartækni, sérstaklega að velja viðeigandi hvarfafl, getur fínstillt kerfið að ákveðinni framleiðslusamstærð, sem mun skila tvöföldum skilvirkni (að minnsta kosti í orði).

Fujitsu tilkynnti á síðasta ári að það hefði tekið upp áhersluaðferðina í ákveðnum aflmagnara, þar sem samþættur var samningur, afl tengibraut með litlu tapi, og með DSP-undirstaða fasaleiðréttingarjöfnunarrás, sem er 65% af flutningstímanum sem er sameiginlegur magnarar sem fyrir eru. , Sendingartími magnarans getur farið yfir 95%. Til að prófa hönnunina getur hámarksafköst þessa aflmagnara náð 100 wöttum; meðalrafvirkni er aukin úr 50% í 70%.

Aðgangsmerkinu er skipt í tvö merki með stöðugum amplitude og fasa breytingum. Styrkleikinn er stilltur í samræmi við RF aflbúnaðinn og rafmagnstengibúnaðurinn endurbyggir bylgjulögunina. Áður þegar upprunamerkið var endurbyggt þurfti tap á nákvæmni tengibúnaðar til að ákvarða áfangamismun sem kom í veg fyrir markaðssetningu þessarar tækni. Tengibúnaðurinn sem Fujitsu notar hefur styttri merkjaslóða sem dregur úr tapi og eykur bandbreidd.

3. Efnileg þróun NXP

Afbrigði af Outphasing vélbúnaðinum án álagsbreytingaráhrifa er kallað Linear Amplifier of Nonlinear Concept (LINC), sem notar aðskildan tengi og magnara stig til að keyra til mettunar og getur í raun bætt línuleika og hámarks skilvirkni. Hins vegar er skilvirkni LINC magnara tiltölulega lítil, vegna þess að hver magnari starfar á stöðugu afli, jafnvel við lágt RF framleiðslustig. Chireix leiðrétti þetta með því að sameina útstrikun með ótengdum tengibúnaði og álagsbreytingu til að auka meðalnýtni. NXP hálfleiðarar hafa bætt sig enn frekar með því að nota áherslu til að stjórna tveimur rofi-magnara í rofi til að laga þá að háum stigstuðulmerkjum. Fyrirtækið er að sameina Chireixoutphasing tækni og GaN HEMT rofa flokk E magnara (mynd 3).

Mynd 3: Einfölduð Chireix aftakamagnar blokkarit

Nýja ökumannstæknin sem NXP hefur þróað og einkaleyfi á gerir magnaranum kleift að ná mikilli skilvirkni yfir um það bil 25% bandbreidd með því að stjórna fasasambandi. Þetta hefur leitt til nýrrar byggingarlistar sem sameinar E magnara í flokki og álagstillingu til að viðhalda mikilli skilvirkni magnara þegar þeir fara út fyrir mettun, sem gerir þeim kleift að laga sig að ýmsum flóknum bylgjulögnum. NXP veitti viðmiðunarhönnun fyrir E-flokk RF magnara byggt á GaN tækjum og fylgdi Chireix tengdum tæknilegum upplýsingum.

4. Umslag mælingar

Önnur lykiltækni sem magnarahönnuðir gefa gaum að er umslagarakning. Í þessari tækni er spennan sem sett er á magnarann stöðugt stillt til að tryggja að það virki á toppsvæðinu til að hámarka afl. Í samanburði við fasta spennu sem DC-DC breytirinn veitir í dæmigerðri aflmagnarhönnun, umbreytir aflgjafaraflsgjafinn aflgjafann sem er tengdur við magnarann með hábandsbreidd, hávaða bylgjulögun, sem er samstillt við augnablik umslagið merki.

Notkun umslags rakningartækni í CMOS RF aflbúnaði hefur töluverða skírskotun. Nujira hefur verið að þróa þessa tækni í mörg ár. Þeir hafa sýnt að þessi tækni getur sigrast á göllum sem stafa af ólínuleika í CMOS RF magnaraforritum. CMOS aflmagnarar hafa verið gagnrýndir sem slæmur kostur fyrir núverandi PAR mótunartækni vegna eðlislægrar lélegrar línuleika þeirra, sem krefst þess að þeir falli aftur til að draga úr röskun. Þegar CMOS magnarar eru notaðir við hærri rafmagnsstyrk mun klipping og röskun eiga sér stað.

Hins vegar sameinar Nujira einkaleyfisbundna ISOGAIN línurisunartækni í sér umslagstækni fyrir umslag til að útrýma línulegu vandamálum án þess að nota DPD. Búnaðurinn sem notar þessa tækni hefur náð markmiðinu um mikla skilvirkni og hefur náð sömu afköstum og GaA í öðrum þáttum. Gífurlegur ávinningur af öllum rannsóknum á CMOS magnara er að CMOS tæki eru alls staðar alls staðar í rafeindatækniiðnaðinum, studd af mörgum steypustöðvum, svo þau eru tiltölulega ódýr. Vegna þess að það er byggt á kísli er einnig mögulegt að samþætta beint og hlutdrægar hringrásir á aflmagnarkubbnum.

5. Aðrar allt aðrar aðferðir

Önnur magnaratækni var talsmaður Eta Devices, fyrirtækis sem sprottið var frá Massachusetts Institute of Technology og var stofnað með tveimur rafmagnsverkfræðiprófessorum Joel Dawson og David Perreault og fyrrum magnarannsakanda frá Ericsson og Huawei. Ósamhverfar multi-level outphasing (AMO) tækni var þróuð af MIT, sem var sameiginlega fjárfest af stofnanda ADI, Ray Stata og áhættufjárfestingarfyrirtæki hans Stata Venture Partners.

Aðalmarkmið fyrirtækisins er nýmarkaður, þar á meðal allt að 640,000 rafstöðvar dísilrafstöðva sem kosta US $ 15 milljarða á ári miðað við eldsneyti og síðan snjallsímamarkaðurinn. Í febrúar á þessu ári sýndi Eta Devices Eta5 búnað sinn í Advanced LTE hlutanum á Mobile Congress World Congress í Barselóna á Spáni. Sendingarás búnaðarins fer yfir 80-MHz.

Eta Devices lýsti því djarflega yfir að búist sé við að ETAdvanced (Advanced Envelope Tracking) tækni muni lækka orkukostnað grunnstöðva um 50%. Það fullyrðir einnig að það geti tvöfalt endingu rafhlöðu snjallsíma. Forsendan er sú að RF afl smári magnarans neyti orkunotkunar samtímis í biðham og sendi ham, og eina leiðin til að bæta skilvirkni er að minnka biðkraftinn á lægsta mögulega stig.
Skipt á milli biðstöðu fyrir litla orkunotkun og mikla afköst mun valda röskun. Núverandi kerfi þurfa að viðhalda háum aflstyrk í biðstöðu til að greina stöðugt þetta ástand, á kostnað mikillar orkunotkunar. Aðferð Eta tæki er að velja þá spennu sem eyðir minnstu orkunotkun yfir smári með því að taka sýni allt að 20 milljón sinnum á sekúndu.

Annað vandamál er að fyrirtækið útskýrði að LTE Advanced og 100 MHz bandbreiddarkröfur muni skapa mikla eftirspurn eftir RF-magnara. Umslagsrekning ein og sér getur ekki lagað sig að þessum aðstæðum, vegna þess að hún getur ekki stutt rásir sem eru breiðari en 40Mhz. Samkvæmt fyrirtækinu styður ETAdvanced rásir allt að 160 MHz, svo það geti mætt bæði LTE-Advanced og 802.11ac Wi-Fi. Grunnstöðvar sem nota tækni þess geta verið mjög litlar og fyrirtækið heldur því fram að það hafi þróað fyrsta LTE sendinn með meðalnýtni yfir 70%.

6. Yfirlit

Ef þú lýsir að fullu núverandi vinnu sem unnin er til að bæta raforkunýtni, getur þú skrifað stóra bók. Þetta innihald er ekki takmarkað við umfangið sem fjallað er um í þessari grein, en nær einnig til notkunar mismunandi tegunda magnara og stuðningstækni. Samsetning þessara tækni getur skilað mikilvægum árangri. Sama hversu miklum framförum er náð er það víst að svo framarlega sem krafan um hærri gagnatíðni er enn til staðar mun leitin að meiri skilvirkni halda áfram.