58830

Расчет и тестирование сложным модулированным сигналом базовой станции РЧУМ

Диссертация

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

С точки зрения оператора сети, требования касательно выхода по энергии вытекают не только из характеристик усилителей РЧ-мощности (РЧУМ) мобильных телефонов, но также из характеристик сети связи у базовой станции. В стремлении сделать базовую станцию РЧУМ более эффективной есть как коммерческие факторы, так и факторы, связанные с окружающей средой

Русский

2015-01-09

4.2 MB

21 чел.

ВСТУПЛЕНИЕ

1.1 Актуальность данного исследования

Индустрия мобильной связи претерпела стремительное развитие за последние двадцать лет. Мобильные телефоны из устройств, передающих только голос, превратились в многофункциональное устройство, которое мы называем смартфон. Растущая потребность в скоростном интернете и получении потокового видео (например, на сайтах YouTube и internet TV) явно указывает на необходимость достичь высокой спектральной плотности радиосигналов. Высокая спектральная плотность означает, что сеть передачи радиосигнала нужно оборудовать высоколинейными усилителями РЧ-мощности (RFPAs, РЧУМ). Усилители РЧ-мощности должны быть не только линейными, но к тому же энергоэффективными. Основные параметры смартфона содержат различные данные и голосовые программы, которые могут сократить срок службы аккумулятора по сравнению с предыдущими версиями мобильных телефонов.

С точки зрения оператора сети, требования касательно выхода по энергии вытекают не только из характеристик усилителей РЧ-мощности (РЧУМ) мобильных телефонов, но также из характеристик сети связи у базовой станции. В стремлении сделать базовую станцию РЧУМ более эффективной есть как коммерческие факторы, так и факторы, связанные с окружающей средой. Текущие цены РЧ-передатчика базовой станции составляют львиную долю стоимости всеобщей сети связи, а судя по мощности, которую потребляет вся сеть, чётко вырисовываются требования и для выработки энергии в будущем, и для сети электроснабжения. Следовательно, РЧУМ должны быть энергоэффективными как для мобильных телефонов, так и для базовых станций, чтобы снизить цены на них до минимума.

Помимо линейности и требований эффективности для РЧУМ, актуальность исследования данного проекта также заключается в проблеме ограничения передачи данных в сетях 4-го поколения (4G), которое проявляется в результате их несколько преждевременного использования. Данная проблема вызвана огромным объёмом информации, передаваемой по сети с недостаточной пропускной способностью. Продолжающее усовершенствование приложений смартфона – Картинки, Видео и Сетевое Общение – вызвало эту проблему из-за увеличения потока мобильных данных. Операторы связи пытаются решить данную проблему путём предоставления большей ёмкости, однако же, тут возникают вопросы, связанные с прохождением радиоволн посредством сети макросот (macro-cell network), которые возникают из-за показателей распространения сети 4G. В то время как частота возрастает, затухание сигнала в канале распространения также возрастает. Следовательно, решение, которое задействует сейчас индустрия связи, - это сеть микроячеек способная передавать большую ёмкость информации на короткие расстояния. В данной архитектуре сети микроячеек всё оборудование, особенно РЧ-передатчик, должно быть компактно с точки зрения размера и веса, а также иметь лаконичный дизайн. Стоимость микроячейкового оборудования тоже должна быть низкой благодаря его широкому использованию.

1.2 Цели Исследования

В данном исследовании особое внимание было уделено конструкции базовой станции РЧУМ. Первая цель исследования: исследовать новый технический метод – «Вспомогательное Отслеживание Огибающей» (AET) (Auxiliary Envelope Tracking (AET)) для улучшения линейности и эффективности РЧУМ. В данной системе проходной канал РЧУМ имеет электрическое смещение к модулируемому сигналу, и путём точного отслеживания входного радиочастотного сигнала (the input signal envelope) можно повысить эффективность работы РЧУМ. Режим работы нитрид-галлиевых (GaN)  транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT-транзистор), с высоким коэффициентом усиления который наблюдался на ранних этапах, был в дальнейшем использован для улучшения линейности РЧУМ.

Вторая цель данного исследования: собрать информацию об эффективности системы AET, используя традиционное измерение сигнала двух несущих. Данное традиционное измерение сигнала двух несущих было первым шагом в исследовании эксплуатационных качеств линейности ещё до тестирования системы AET более сложными модулированными сигналами. Чтобы измерить эффективность РЧУМ, можно использовать измерения как непрерывного излучения (continuous-wave (CW)), так и сигнала двух несущих.

Третья цель данного исследования: разработать необходимые составные элементы для измерения сигнала двух несущих системы AET. Для данных измерений нужны: один РЧУМ, один диплексер и один усилитель огибающей (УО). Дизайн РЧУМ должен быть компромиссом между эффективностью и линейностью, для того чтобы собрать сведения об эксплуатационных качествах, когда он будет включён в систему AET. Дизайнерский подход к диплексеру и УО должен также быть простым и рентабельным, для того чтобы эта система была внедрена в сеть микроячеек и стала коммерчески привлекательной.

Наконец, четвёртая цель данного исследования: протестировать систему AET сложным модулированным сигналом, в данном случае: сигналом с широкополосным многоканальным доступом с кодовым разделением каналов (WCDMA). Измерение сигнала WCDMA нужно для того, чтобы показать, что система AET применима для современной беспроводной технологии, где к линейности и эффективности предъявляются высокие требования. Так как ширина полосы частот сигнала WCDMA больше, и она имеет более высокое отношение пиковой и средней мощностей (PAR), нежели измерение сигнала двух несущих, были выполнены необходимые изменения в конструкции составных элементов системы AET, чтобы соответствовать данным требованиям.

1.3 Структура Диссертации

Документальное оформление данной диссертации включает в себя девять глав. Сводка по каждой главе приводится ниже:

Глава 2 освещает технические методы совершенствования линейности и эффективности в соответствующей литературе, чтобы дать читателю общее представление о методах и процедурах, использованных для улучшения линейности и эффективности РЧУМ. Подробно описаны система обычного отслеживания огибающей (ET) и система AET. Затем особое внимание уделяется сравнению ET и AET, для того чтобы дать полное понимание преимуществ системы AET.

 Глава 3 вводит исходные измерения Нитрид-галлиевого (GaN) РЧУМ (GaN RFPA), в которых наблюдался значительных рост мощности РЧУМ при изменении напряжения смещения на стоке. Показатели ранее спроектированного GaN РЧУМ (10W GaN Класса J RFPA и 10W GaN Инверсивного Класса (Inverse Class) F RFPA) и специально спроектированного 25W GaN Класса AB РЧУМ были измерены, и у всех этих GaN РЧУМ показан эффект усиления сигнала. Были измерены показатели РЧУМ 20W LDMOS (смещённо-диффузная металл-оксид-полупроводниковая технология на основе кремния), и при изменении напряжения смещения на стоке не наблюдалось никакого значительного изменения коэффициента режима работы. Модель активной межэлектродной проводимости 25W GaN ВПЭ-транзистора была также проанализирована, и было замечено, что активная межэлектродная проводимость меняется при моделировании с напряжением смещения на стоке.

Глава 4 представляет математическую концепцию AET с точки зрения эффективности и линейности. Характеристики GaN коэффициента усиления режима работы созданы по данным измеренного РЧУМ 25W GaN Класса AB. Коэффициент усиления затем был проанализирован математически, чтобы показать его действие на улучшение линейности. Изучение разделения компонентов переменного тока (AC) и постоянного тока (DC) сигнала AET направило концепцию к улучшению эффективности. Затем изучение эффективности было направлено на моделирование сигнала WCDMA, чтобы сравнить эффективности систем AET, ET и РЧУМ, подключённых к фиксированному электропитанию стока.

Глава 5 описывает процесс конструирования РЧУМ 25W GaN Класса AB. Данный РЧУМ специально спроектирован для этого проекта, чтобы исследовать эксплуатационные качества системы AET. Обсуждение дизайна РЧУМ приводится в начале главы. Различные схемы были смоделированы с использованием программы инструментальных средств компьютерного проектирования (CAD). Схема расположения РЧУМ нарисована, основываясь на свойствах выбранного, часто применяемого слоистого материала. Наконец, полностью изготовленный РЧУМ с бездействующими компонентами подвергается замерам, и демонстрируются эксплуатационные качества данного РЧУМ.

Глава 6 представляет измерения сигнала двух переносчиков системы AET. В данной главе описывается операция по измерению сигнала двух переносчиков. Разъясняется дизайн двух составных элементов системы AET, а именно: диплексер и отслеживание огибающей (ET). Сигнал AET, который оказывает влияние на РЧУМ, получает чёткое определение и измеряется во время операции. Наконец, демонстрируются эксплуатационные качества в системе AET, и эти эксплуатационные качества сравниваются с эксплуатационными качествами РЧУМ при фиксированном электропитании стока.

Глава 7 описывает конструкцию широкополосного радиочастотного трансформатора в качестве путевого генератора AET для измерения сигнала WCDMA. В этой главе объясняется, почему этот широкополосный РЧ-трансформатор необходим для применения WCDMA. Далее исследуются модели эквивалентной схемы этого трансформатора, чтобы увидеть те критерии, которые оказывают влияние на его эксплуатационные качества. Затем описывается процесс дизайна широкополосного РЧ-трансформатора для применения WCDMA; это делается путём учёта материала с ферритовым сердечником, размеров тороидального сердечника и количества обмоток. Выбирается наиболее подходящий дизайн трансформатора для применения WCDMA, который имеет большую ширину полосы частот и высокое отношение пиковой и средней мощностей (peak-to-average ratio, PAR), для комплексного блока AET.

Глава 8 представляет описание полной установки системы AET для измерений WCDMA. В начале этой главы даётся информация о генерировании сигналов WCDMA. Описывается каждый составной элемент в системе AET. В данной системе AET имеются два сигнальных тракта: РЧ-тракт и тракт огибающей. На РЧ-тракте системы AET составными элементами являются линия задержки и ведущий усилитель мощности. На тракте огибающей составными элементами являются детектор огибающей, буферный усилитель, усилитель огибающей (УО) и широкополосный РЧ-трансформатор. Затем в деталях описывается процедура измерений системы AET. В заключении главы приводится дискуссия о результатах РЧУМ в сравнении с системой AET при фиксированном напряжении на стоке.

Глава 9 завершает диссертацию и очерчивает исследовательский вклад в улучшение системы РЧУМ. В этой главе также обсуждается возможные участки улучшения системы AET, которые могут быть исследованы в будущем.

ГЛАВА 2

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ВСТУПИТЕЛЬНОЕ СЛОВО О СИСТЕМЕ AET

2.1 Вступление

Отслеживание огибающей (ET) является действенным приёмом усиления, который используется для системы усилителя мощности базовой станции. Система ET использует линейный усилитель РЧ-мощности (РЧУМ), но позволяет напряжению питания отслеживать сигнал огибающей, значительно повышая таким образом эффективность РЧУМ. В данном исследовании вводится вариант системы ET, которую мы называем «Вспомогательное Отслеживание Огибающей» (AET). Это новый предложенный технический приём мотивирован высокими требованиями к линейности и эффективности в соответствии с современными беспроводными стандартами. В отличие от системы отслеживания огибающей, система AET не требует, чтобы РЧУМ был линейным, поскольку данный технический метод улучшает и линейность, и эффективность РЧУМ. Кроме того, система AET обращается к простой и рентабельной разработке.

2.2 Технический метод для увеличения линейности

В этом подразделе резюмируются все технические методы для увеличения линейности, для того чтобы дать общее представление об имеющихся технических методах в литературе. Линейность РЧУМ – это важнейший элемент для обеспечения точности амплитуды и фазового усиления входного радиочастотного сигнала. В литературе представлены три главные группы технических методов для увеличения линейности, как-то: обратная связь, прямая связь и предыскажение. Данные три группы резюмируются следующим образом:

2.2.1 Технический метод линеаризации обратной связи

В техническом методе линеаризации обратной связи имеется четыре категории, а именно: радиочастотная обратная связь, обратная связь огибающей, полярная обратная связь и Декартова обратная связь. Базовая конфигурация системы обратной связи показана на рисунке 2.1.

В системе радиочастотной обратной связи часть радиочастотного выходного сигнала обрабатывается как сигнал ошибки, проходящий через счётчик напряжения, а затем данный сигнал ошибки будем соединён и вычтен из радиочастотного входного сигнала. В результате этого процесса такой выходной сигнал будет более линейным. Однако на этом сигнале скажется некоторая потеря коэффициента усиления из-за снижения входного напряжения. Эта потеря коэффициента усиления намного больше влияет на радиочастоты, чем на звуковые частоты, поэтому метод радиочастотной обратной связи чаще используется в диапазоне высоких и низких частот.

Задержка сигнального тракта является ещё большей проблемой при высоких частотах. Существует много вариантов данного радиочастотного приёма, которые улучшают эксплуатационные качества. Среди них имеется замена делителя напряжения с активным каскадом с помощью усилителя, а также использование Декартового контура в основной цепи воздействий.

Обратная связь по огибающей (Envelope feedback) также известна как обратная связь по модуляции (modulation feedback). В данном образце обратной связи (рисунок 2.2.) огибающая выходного радиочастотного сигнала выявляется и используется в качестве элемента обратной связи с точки зрения амплитуды или фазы.

Когда амплитуда является единственным элементом, используемым в цепи обратной связи (что называется обратной связью по огибающей амплитуды) искажение амплитудной модуляции по амплитудной модуляции (the amplitude modulation-amplitude modulation (AM-AM) distortion) может быть исправлено. Однако обратная связь по огибающей амплитуды не исправляет искажение амплитудной модуляции по фазовой модуляции (the amplitude modulation-phase modulation (AM-PM) distortion) в случае, когда РЧУМ входит в сжатую зону. Она также включает «паразитное» AM-PM искажение (‘parasiticAM-PM distortion), вызываемое устройством обратной связи по амплитуде. Эта проблема немного сглаживается при использовании амплитуды и фазы в качестве элементов обратной связи (обратная связь по огибающей вектора). Система обратной связи однако же и тут сталкивается с проблемой задержки. Детальный анализ данного технического метода находится в [1] и [4]. Начальное применение данного технического метода на каскаде РЧУМ описан в [7], к тому же данный метод был применён в передатчике, что представлено в [8].

Метод обратной полярной связи является формой обратной связи по огибающей вектора, которая использует амплитуду и фазу как элементы обратной связи. Этот технический метод был впервые разработан Петровиком (Petrovic) для улучшения AM-PM нелинейностей (AM-PM nonlinearities) в передатчике. Ключевым составным элементом в конструкции системы, как показано на Рисунке 2.3, является генератор, управляемый напряжением (VCO), который составляет часть системы фазовой автоподстройки частоты (phase-locked loop (PLL)) (ФАПЧ), где данная система включена в цепь обратной связи. В этой системе обратной полярной связи амплитудная и фазовая коррекция тщательно контролируются в двух обособленных системах. Отличные эксплуатационные качества AM-AM и AM-PM на выходе передатчика тем не менее ограничены жёсткими требованиями диапазона рабочих частот PLL (ФАПЧ). Недавнее применение этого метода в радиочастотной интегральной схеме (RFIC) можно увидеть в [10], а его использование в многорежимной телефонной трубке - в [11].

Жёсткие требования диапазона рабочих частот для полярной обратной связи PLL (ФАПЧ) преодолены с помощью четвёртого технического метода обратной связи, которая называется методом декартовой обратной связи. В данном приёме сигнал затухающей промежуточной частоты (IF) обрабатывается по Декартовой форме; синфазный (I)  сигнал и квадратурный (Q)  сигнал. Как видно на Рисунке 2.4 динамическая фазовая автоподстройка частоты или VCO (генератор управляемый напряжением) в системе полярной обратной связи более не нужны в Декартовой системе обратной связи. Ортогональные компоненты выходного сигнала I и Q) передаются по каналу обратной связи в дифференциальный усилитель, который затем сравнивает их с ‘I’ и ‘Q’ входными сигналами для коррекции огибающей в показателях амплитуды и фазы. Ортогональная природа цепи обратной связи для I и Q обеспечивает возможность независимой корректировки амплитудной и фазовой нелинейностей. Технический метод декартовой обратной связи был впервые разработан для УКВ-передатчиков (VHF transmitters), а недавно был применён к стандарту наземной транкинговой радиосвязи (TETRA), которая работает в диапазоне от 300 до 500 MHz.

2.2.2 Технический метод линеаризации прямой связи

Вторая группа методов улучшения линеарности – это метод прямой связи. Технический метод прямой связи был впервые введён Блэком (Black) в его патенте 1928. Важно отметить, что метод прямой связи был запатентован ранее подхода обратной связи; это подчёркивает проблему потери коэффициента усиления в системах обратной связи. Эта проблема особенно мешала на заре электронной эры и сегодня она ещё остаётся в гигагерцовом диапазоне частот. Базовая конфигурация метода прямой связи показана на Рисунке 1.5. В отличие от системы обратной связи, данный технический метод прямой связи осуществляет корректирующий процесс на выходе из РЧУМ. Как показано на Рисунке 2.5, существует два усилителя; основной усилитель (РЧУМ) и усилитель сигнала ошибки (‘erroramplifier). Усилитель сигнала ошибки линеаризует компрессионный РЧУМ при высокой выходной мощности посредством введения дополнительной мощности в систему. Более подробный анализ системы прямой связи находится в [1] и [4]. Сегодня данный технический метод приобрёл усовершенствованную конструкцию, которая называется: обратная связь при адаптивном управлении (adaptive feedforward). Она основана на минимизации мощности и сигналах градиента. Недавнее применение данного метода прямой связи для широкополосной системы связи можно увидеть в.

2.2.3 Технический метод линеаризации предыскажения

Последний метод повышения линейности – это предыскажение. Основная концепция предыскажения изложена на Рисунке 2.6. Выходной сигнал из устройства предыскажений является «искажённым»
.2.3 Технический метод линеаризации предыскажения
сигналом, который стремится линеаризовать выход сигнала РЧУМ. Например, введение расширяющего режима работы (expansive behaviour) «искажённого» сигнала может линеаризовать сжимающий режим работы РЧУМ при высокой мощности. Одним словом, линейность РЧУМ достигается комбинацией нелинейностей РЧУМ и устройство предыскажений. Данная операция очень похожа с математической точки зрения на метод прямой связи, который был освещён выше. Однако разница заключается в том, что корректирующее действие предыскажения осуществляется на входе РЧУМ.

Данный метод предыскажения можно разделить на аналоговое и цифровое предыскажения. Цифровое предыскажение (DPD) стало популярным методом в литературе на так давно, и это главным образом связано с доступными возможностями  цифровой обработкой сигнала (DSP), которая способна обрабатывать разные типы сигналов: аналоговый групповой спектр, цифровой групповой спектр, аналоговая промежуточная частота, цифровая промежуточная частота или аналоговая промежуточная частота входных сигналов. Цифровые устройства предыскажений можно разделить на две категории: устройство предыскажений для РЧУМ без памяти и устройство предыскажений для РЧУМ с памятью. Для узкополосных применений достаточно простого цифрового устройства предыскажений, когда моделирование устройства предыскажений характеризуется процессами AM-AM и AM-PM усилителем мощности радиочастоты  (RFPA). Однако что касается широкополосных применений, усилитель мощности радиочастоты (РЧУМ) проявляет эффекты электрической и тепловой памяти. Следовательно, цифровое устройство предыскажений должно моделировать эти нелинейные эффекты. Популярными нелинейными моделями являются модели серии Volterra, Hammerstein и Wiener. Хотя цифровая обработка сигнала в методе цифрового устройства предыскажений способна проводить обработку более широкого диапазона частот, аналоговое устройство предыскажений, с другой стороны, представляет упрощённый подход, используя простую аналоговую схему.

2.3 Технический метод повышения эффективности

В данном разделе резюмируются технические методы повышения эффективности для РЧУМ. Существует три основных метода; большинство исследователей приспосабливают данные методы к своим проектным решениям. Эти методы таковы: усилитель Догерти (Doherty amplifier), дефазированный усилитель мощности Ширекса (Chireix) и система удаления и восстановления огибающей (envelope elimination and restoration (EER)) усилителя мощности радиочастоты (РЧУМ).

2.3.1 Усилитель Догерти

Усилитель Догерти впервые был введён в 1936 г. в качестве метода для увеличения эффективности усилителей.

Основная конфигурация усилителя Догерти показана на Рисунке 2.7. Она состоит из главного усилителя, усилителя со схемой высокочастотной коррекции и четвертьволновых трансформаторов. Основная идея данного технического метода заключается в комбинации этих двух усилителей, что в итоге даёт максимальную эффективность системы, которая поддерживается из максимальной выходной мощности вплоть до 6dB точки перегиба характеристики  (backoff point). Детальный анализ усилителя Догерти можно найти в [4, 24]. Исследования по адаптированию классической «трубы» Догерти (the classicaltubeDoherty) к современному усилителю «транзистора» Догерти (moderntransistorDoherty amplifier) широко ведутся из-за их привлекательности в деле повышения эффективности. Усилитель Догерти также обнаружил возможность широкого коммерческого использования в усилителях радиочастоты базовой станции с большой мощностью. Это частично обусловлено тем, что процесс увеличения эффективности усилителя Догерти осуществляется исключительно на радиочастоте, и нет никаких существенных требований для обработки модулирующих сигналов. Тем не менее есть один элемент в цепи обработки радиочастоты, который несёт существенное ограничение по полосе пропускания: инвертор сопротивления.

2.3.2 Метод дефазирования Ширекса

Метод дефазирования Ширекса был изобретён в 1935 г. Ширексом, а в 1974 г. идея этого метода была использована в новой форме усиления мощности, которая называется: линейное усиление посредством нелинейных компонентов Коксом ((LINC) by Cox). Базовая конфигурация метода дефазирования Ширекса показана на Рисунке 2.8.

В данной конфигурации два усилителя могут быть нелинейными – это большое отличие от метода Догерти. Эти два нелинейных усилителя работают с входными сигналами неизменной огибающей с фазовым сдвигом под контролем фазового модулятора (P.M.). Комбинация этих двух усиленных и дефазированных сигналов даёт в результате желаемый усиленный АМ модулированный сигнал (AM modulated signal). Ключевой вклад этого метода с точки зрения повышения эффективности лежит в переменной величине модуляции нагрузки между двумя усилителями в сумматоре мощности.

Инвертор сопротивления – это элемент, который вводит в систему ограничение по полосе пропускания. Имеется много других вопросов, связанных с этим методом, которые вытекают из проблемы фазового рассогласования на входном согласующем устройстве и согласования полного сопротивления на выходном сумматоре. Данное снижение рассогласования фазы и сопротивления обсуждается далее в [29]. Недавнее применение этого метода в высокомощной системе РЧУМ для использования WCDMA можно найти в [30].

2.3.3 Система удаления и восстановления огибающей, метод Кана

Третий классический метод увеличения эффективности – метод Кана (EER), представленный им в 1952 г. В системе Кана нужны высокоэффективный нелинейный РЧУМ и высокоэффективный усилитель огибающей (EA).

Конфигурация системы Кана показана на Рисунке 2.9. Система Кана разделяет амплитудную модуляцию и фазовую модуляцию на две цепи. Ограничитель используется для создания сигнала с фазовой модуляцией, который позже усиливается с помощью РЧУМ. Структура исходного сигнала на выходе усилителя мощности радиочастоты (РЧУМ) создаётся модуляцией источника напряжения. Данный модулирующий сигнал производится детектором огибающей и позже усиливается до подходящего уровня посредством усилителя огибающей (EA). И хотя РЧУМ является высокоэффективный устройством, на практике эта обработка модулирующих сигналов требует большого усиления мощности с помощью EA, что сдерживает повышение эффективности всей системы. В моделях современных систем по методу Кана модифицируется важнейшая EER операция (EER operation) введения сигнала с фазовой модуляцией. РЧУМ приводится с РЧ-модулированным сигналом, а эта система обычно называется «гибридный» метод Кана (‘hybridEER system). Разработчики метода Кана также сосредоточились на улучшении эксплуатационных качеств EA с помощью различных подходов, таких как: гистерезисный контроль обратной связи по току или многоуровневый конвертор в сериях с линейным регулятором.

2.4 Система отслеживания огибающей

Четвёртый метод повышения эффективности появился в 1980-х гг., он называется: система «отслеживания огибающей» (‘Envelope Tracking’ (ET) system). Этот метод привлёк недавно повышенное внимание благодаря его потенциалу увеличения эффективности в применении широкого диапазона частот. Система ET появилась из системы EER (которую мы обсудили ранее), где обе системы принимали динамический сигнал, смещающийся к РЧУМ. Система ET больше похожа на современную «гибридную» EER систему. Существует два главных отличия между этими двумя методами. Первое: усилителю мощности радиочастоты системы ET нужно работать в линейном режиме, в то время как от усилителя мощности радиочастоты системы EER не требуется быть линейным, но нужно, чтобы он был высокоэффективным. Второе: усилитель мощности радиочастоты системы ET усиливает и амплитуду, и фазу, в то время как усилитель мощности радиочастоты системы EER перестраивает только фазу.

Базовая конфигурация системы ET показана на Рисунке 2.10, где входной радиочастотный сигнал расщеплён на два канала: канал огибающей и радиочастотный канал. На РЧ-канале входной РЧ-сигнал вводится в линейный РЧУМ. На канале огибающей сама огибающая входного сигнала обнаруживается, а обнаруженный сигнал огибающей усиливается конвертором напряжения, который также называется «путевым генератором». На выходе путевой генератор обеспечивает модуляцию источника напряжения, который отслеживает огибающую входного РЧ-сигнала. Это тщательное отслеживание является сердцем механизма увеличения эффективности в системе ET. Повышение эффективности возникает из уменьшения диссипации мощности по сравнению с фиксированным смещением на стоке, что проиллюстрировано на Рисунке 2.11. Заметьте, что на данном рисунке отображением сигнала является огибающая сигнала двух несущих.

В отличие от дефазовых технических методов Догерти и Ширекса, система ET не требует инвертора сопротивления. Поэтому данная система имеет огромное преимущество, ввиду того что она по своей сути широкополосна. Однако система ET имеет то же самое требование, что и система EER, а именно: отслеживающий конвертор мощности, который потребляет дополнительную мощность. Система ET тем не менее имеет огромное преимущество в том, что точность отслеживания влияет только на увеличение эффективности, но существенно не влияет на сам сигнал, пока коэффициент усилителя мощности радиочастоты остаётся при неизменном источнике напряжения. В передатчике EER именно отслеживающее напряжение фактически создаёт амплитудную модуляцию и, как таковое, должно генерироваться с максимальной точностью. Путевой генератор ET должен только отслеживать общий курс огибающей, для того чтобы дать некоторое увеличение эффективности. В частности, генератор ET может предоставить вариант значительно ограниченной по диапазону огибающей и в то же время показывать почти оптимальные эксплуатационные качества по увеличению эффективности.

Однако колебание динамического источника напряжения обычно ремодулирует сигнал в неблагоприятной форме, в результате возникает огромный конфликт, из-за которого при высоких уровнях увеличения эффективности возрастает деградация в спектральной чистоте. Практически во всех опубликованных работах об отслеживании огибающей (ET) проблема искажения эффективно решается путём использования цифровой обработки сигнала (DSP), обычно в форме цифрового предыскажения (DPD) при входе сигнала.

2.5 Введение системы вспомогательного отслеживания огибающей (AET)

В данном подразделе мы введём производную системы ET, которую мы назвали: система «Вспомогательного отслеживания огибающей» (‘Auxiliary Envelope Tracking’ (AET)). В этой системе AET можно достичь повышения и линейности, и эффективности. Мы рассматриваем  AET как новаторский метод с огромным потенциалом в сфере разработок РЧУМ.

2.5.1 Система AET для эффективности

Как упоминалось ранее, система AET является производной от системы ET, которая хорошо известна как технический метод повышения эффективности. Система AET имеет ту же базовую конфигурацию системы, что и система ET. Существенная разница между обычными системами ET и AET заключается в механизме порождения смещения модулированного сигнала стока, который мы называем сигналом AET к проходному каналу усилителя мощности радиочастоты (RFPA). В этом механизме изначально отделены порождения компонентов постоянной составляющей (DC components) и переменной составляющей (AC components). Эти раздельно порождённые AC и DC сигналы далее объединяются в специально спроектированном объединителе, перед тем как сигнал AET будет направлен в РЧУМ. Сравните: в системе ET усиление и DC и AC компонентов смещённого сигнала выполняется усилителем огибающей.

Идея разделения DC и AC компонентов сигнала AET широко использовалась в эру вакуумных приборов. Этот технический метод не является широко признанным в беспроводной индустрии связи.

Десять лет назад схожая идея была представлена – идея модулятора с расщеплением полосы в системе EER и системы для применения радиоспутника [45], где сигнал расщепляется на две полосы частот.

В системе AET, в отличие от модулятора с расщеплением полосы [44], сигнал огибающей непосредственно направляется в усилитель огибающей (EA), как показано на Рисунке 2.12, где происходит определённое усиление на буферном каскаде. Устройство вывода усилителя огибающей является источником AC компонента сигнала AET, а этот сигнал позднее вводится в «объединитель». DC компонент сигнала AET идёт непосредственно из постоянной  составляющей (DC) напряжения питания. Комбинация AC и DC компонентов в «объединителе» даёт в результате сигнал AET, который смещает проходной канал усилителя мощности радиочастоты.

Устройство вывода усилителя огибающей содержит AC компонент сигнала AET со сдвигом постоянной составляющей DC (DC offset). Сдвиг постоянной составляющей DC, имевшийся в выходном устройстве EA, будет подавлен пассивной сетью в «объединителе». Для измерения сигнала двух несущих, «объединителем» является диплексер, а разделительный конденсатор DC (DC blocking capacitor) в конструкции диплексера используется, чтобы удалить сдвиг постоянной составляющей. В то же время для измерения WCDMA «объединителем» является РЧ-широкополосный трансформатор, а сдвиг постоянной составляющей осуществляется путём режима работы DC изоляции трансформатор.

Порождение отдельных DC и AC компонентов сигнал AET позволил нам спроектировать и применить очень простой и экономичный генератор напряжения по отслеживанию AET по сравнению с модулятором с расщеплением полосы и другими разработками EA в литературе, например, такими как повышающий преобразователь и вольтодобавочный преобразователь. В данной AET системе усилитель огибающей (EA) разработан с помощью простой конфигурации истокового повторителя, в то же время конструкция диплексера и РЧ-трансформатора также является очень несложной. К тому же, механизм действия EA, диплексера и РЧ-трансформатора легки для понимания, а их применения является рентабельно.

Система AET также нацелена на обеспечение питания малоамплитудного отслеживания путём порождения AC компонента малой амплитуды сигнала AET. В математическом анализ, который показан в Главе 4, может быть достигнуто практичное повышение эффективности в целом, и это улучшение может быть масштабнее, чем обычная система ET.

2.5.2 AET для линейности

В конфигурации системы AET нет дополнительных составных элементов, направленных на увеличение линейности усилителя мощности радиочастоты (РЧУМ), в отличие от других технических методов повышения линейности, о которых говорилось выше, то есть: обратная связь, прямая связь и предыскажение. Механизм линейности лежит в том же самом смещении динамического сигнала к проходному каналу РЧУМ, который обеспечивает повышение эффективности. В некоторой степени это было достигнуто путём использования полезного показателя эксплуатационных качеств в GaN-транзисторах, что также описано в Главе 4. Следовательно, в данной системе AET требуется, чтобы GaN-усилитель мощности радиочастоты демонстрировал коэффициент усиления режима работы. Тогда малоамплитудное смещение сигнала стока AET не только может увеличить эффективность, но также одновременно может повысить эксплуатационные качества линейности.

2.5.3  Сравнение между системами ET и AET

Главные отличия между системами ET и AET резюмируются в Таблице 2.1, а детальный математический анализ системы AET с точки зрения повышения эффективности и линейности можно найти в Главе 4.

СИСТЕМА ET

СИСТЕМА AET

Повышение Эффективности:

1. Модуляция источника напряжения

2. Усилитель огибающей и механизм модуляции питания

1. Крупнее амплитуда отслеживания

2. Высокоэффективна;

повышающий преобразователь,

вольтодобавочный преобразователь

1. Меньше амплитуда отслеживания

2. Усилитель истокового повторителя и разделение объединителя между AC и DC компонентами

Улучшение линейности:

1. РЧУМ

2. Цифровое предыскажение (DPD)

1. Высоко линейный РЧУМ

2. Встроенное цифровое предыскажение (DPD)

1. GaN РЧУМ

(Коэффициент усиления режима работы)

2. Цифровое предыскажение не встроено

Конструкция Системы:

Сложная, дорогая из-за включения цифрового предыскажения (DPD)

Простая, недорогая

Таблица 2.1: Сравнение систем ET и AET

2.6 Резюме главы

Подводя итог вышесказанному, скажем, что различные технические методы повышения линейности, широко рассмотренные в разделе 2.2, все имеют индивидуальные ограничения. Они могут кратко быть описаны так:

• Обратная связь: по существу бесполезная для широкополосных частот сигнала, используемых в беспроводных системах связи.

• Прямая связь: перестала применяться из-за требования дополнительного РЧУМ (усилитель сигнала ошибки), который потребляет столько же энергии, сколько РЧУМ, и поэтому значительно снижает эффективность.

• Цифровое предыскажение: стало техническим методом, используемым по умолчанию в современных передатчиках базовой станции. Но непроизводительные затраты цифровой обработки сигнала (‘DSP overhead’) с точки зрения цены и сложности делают его менее привлекательным для инфраструктуры микроячеек.

Технические методы повышения эффективности, описанные нами в разделе 2.3, также имеют индивидуальные ограничения:

• Усилитель Догерти: по существу ограничен диапазоном рабочих радиочастот объёмом менее 10% и, как правило, требует корректирующей внешней линеаризации.

• Метод дефазирования Ширекса: фактически вообще не является усилителем мощности (PA). Более точно он описан (своим изобретателем в исходном документе) как высокоуровневый модулятор. Он имеет сходные с усилителем Догерти ограничения по полосе пропускания радиочастот из-за использования инверторов сопротивления, к тому же требует сложной цифровой обработки сигнала для выработки входных фазомодулированных сигналов.

• Метод Кана (Kahn EER): потерял привлекательности в сфере беспроводной связи из-за строгих требований точности в электропитании отслеживания огибающей.

• Отслеживание Огибающей (ET): в общих чертах связано с техническим методом AET, предложенным в этой диссертации. Но обычно оно рассматривается прежде всего как технический метод повышения эффективности, который по всей вероятности потребует значительной корректирующей линеаризации. И хотя модулятор отслеживания огибающей имеет менее высокие требования в отслеживании огибающей, что будет показано в Главе 4, заметные выгоды по эффективности остаются минимальными, до тех пор пока эффективность данного элемента не превысит 70%.

Система ET (которая унаследовала архитектуру EER по разделению входного сигнала на два канала) представляется привлекательным способом повышения эффективности. Данная система ET затем адаптируется к новому подходу, который называется система AET, разрабатываемая в данной исследовательской работе. Система AET может предложить недорогой, упрощённый метод достижения полезных улучшений в сферах линейности и эффективности с минимальными ограничениями по полосе пропускания радиочастот. Ни один из стандартных технических методов не может предложить комбинацию, которая станет более важной в сфере применения микроячеек.

ГЛАВА 3

ПРЕИМУЩЕСТВА НИТРИДА ГАЛЛИЯ В СИСТЕМЕ

УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ  - НАЧАЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

3.1 Введение

С ростом услуг сотовой связи на рынке появляется большое разнообразие мощных РЧ-транзисторов, например, полевой транзистор (FET) смещённо-диффузной металл-оксид-полупроводниковой технологии на основе кремния (laterally diffused metal oxide semiconductor (LDMOS)), арсенид-галлиевый (GaAs) полевой транзистор с затвором Шоттки FET (MESFET), кремний-германиевый (SiGe)  биполярный гетеротранзистор (HBT) и нитрид-галлиевый (GaN) транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT). В этой главе остановимся на технологии транзистора GaN HEMT и сравним эту технологию транзисторов с транзистором LDMOS. И хотя технология GaN HEMT ещё не настольно развита, как LDMOS, её конкурентные преимущества для будущих высокомощных и высокочастотных усилителей базовой станции стали причиной того, что этот мощный радиочастотный транзистор (RF power transistor) был выбрал для нашего исследования. Транзисторы LDMOS сегодня составляют 90% мирового рынка усилителей мощности радиочастоты, однако благодаря сегодняшним исследованиям и развитию нитрид-галлиевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (GaN HEMTs) эта технология имеет возможность стать решением для многих существующих конструкторских проблем, которые требуют более высокой эффективности и линейности. Следовательно, в данной главе мы будем исследовать и сравнивать преимущества РЧУМ на основе нитрид галлия (GaN) с общеизвестным РЧУМ LDMOS.

3.2 Краткое описание нитрида галлия (GaN) и LDMOS

Как упоминалось ранее усилители мощности радиочастоты, основанные на технологии LDMOS, последнее время широко применяются в индустрии связи. Структура транзистора LDMOS имеют короткую длину канала, что обеспечивает высокую допустимую мощность по току (high current handling capability) и слабое легирование на стороне стока полевого транзистора (FET), который направляет высокое блокирующее напряжение. Эти два качества весьма полезны для высокомощных усилителей мощности радиочастоты. LDMOS является популярной технологией благодаря своей доступной цене.

Тем не менее технология GaN олицетворяет будущее для микроволновых усилителей мощности из-за её выходной мощности, эффективности и линейности. В сравнении с технологией LDMOS, заметим, что GaN является материалом с широкой запрещённой зоной, так образом, он способен дать высокое пробивное напряжение, которое позволяет устройствам GaN функционировать для обеспечения высоковольтных прикладных программ. Высокая плотность мощности GaN направляется в редуцированную паразитную ёмкость, таким образом, предоставляя более широкий диапазон рабочих частот в конструкции широкополосного согласования усилителя мощности радиочастоты по сравнению с LDMOS. Высокая подвижность носителей у GaN-устройства также позволяет GaN-приборам функционировать на более высоких рабочих частотах. Поэтому все преимущества в высокомощных широкополосных конструкциях РЧУМа привлекает в наши дни огромное внимание, как в сфере исследований, так и в промышленности.

Дальнейшее детальное обсуждение касательно сравнений между структурой и эксплуатационными качествами транзисторов LDMOS и GaN можно найти в [11]. В следующем разделе мы представим характеристики GaN-усилителей мощности радиочастоты, которые были рассмотрены с помощью измерения незатухающего колебания (CW measurement), и которые, как обнаружилось, отсутствуют в LDMOS-усилителях мощности радиочастоты. Рассматриваемой характеристикой GaN-усилителей мощности радиочастоты является расширяемая амплитудная характеристика при повышении напряжения смещения на стоке. Измеряются как амплитудная характеристика, так и эксплуатационные качества с точки зрения эффективности канала. GaN-амплитудная характеристика при правильном использовании может помочь повысить линейности системы усилителя мощности радиочастоты. Анализ повышения линейности мы обсудим в Главе 4.

3.3 Амплитудная характеристика нитрид-галлиевого РЧУМа

3.3.1 10-ваттный (10W) GaN-РЧУМ мощности Класса J

Первым измеренным GaN-усилителем был 10-ваттный GaN-усилитель мощности радиочастоты Класса J (10W GaN Class J RFPA), который был сконструирован и о котором было сообщено. Дискретное устройство 10W GaN HEMT было поставлено компанией Кри (Cree) и данный РЧУМ был явно смещён к Классу AB региона (biased in deep Class AB region). Во время измерения незатухающего колебания при 2 GHz радиочастотная мощность была искривлена при напряжении смещении стока от 16 до 28 V. Выходная мощность была измерена, и на графике мы видим соотношение коэффициента усиления в dBs и выходной мощности. Это измерение GaN-РЧУМ показало, что коэффициент усиления значительно колеблется от 8dB до 12dB, как видно на Рисунке 3.1.

При напряжении на стоке в 16 V коэффициент усиления, измеренный в линейной области, был около 8dB, но он сжимается, когда был достигнут пиковый уровень выходного сигнала. Показатель коэффициента усиления при различных напряжениях смещения на стоке почти не менялся, но всё же при повышении  напряжения смещения на стоке, коэффициент усиления повышался примерно на 0.5dB при повышении напряжения смещения на стоке на 1V.

Чтобы ясно показать коэффициент усиления, была нарисована схема поведения коэффициента усиления при постоянном уровне выходной мощности в 30dBm. Наблюдалось, что затухание передачи фильтра меняет аппроксимативно линейную интегральную схему (ИС) при уровне напряжения смещения на стоке, как показано на Рисунке 3.2. Как указано на Рисунке 3.2, скорость изменения – около 0.5dB на 1V.

В то время как мы повышаем напряжение смещения на стоке, мы также видим, что выходная эффективность остаётся высокой при различных выходных мощностях, как показано на Рисунке 3.3.

3.3.2 10-ваттовй GaN-РЧУМ Инверсного Класса F 

Ещё одна конструкция РЧУМа, использующая 10W GaN HEMT устройство, которая была сконструирована и о которой было сообщено. В данном проекте напряжение смещения на затворе было искривлено требуемым основным и гармоничным окончанием (fundamental and harmonic termination), используя загрузочную систему (load-pull system) для определения оптимальной точки смещения. Из точки оптимального смещения на затворе  прогнозируемое входное полное сопротивление нагрузки было оптимизировано, чтобы добиться лучшего варианта конструкции инверсного Класса F. Для измерения незатухающего колебания усилителя РЧ-мощности инверсного Класса F при 2 GHz радиочастотная мощность была искривлена при напряжении смещении стока от 16V до 32V. Это измерение GaN-РЧУМа показало, что коэффициент усиления значительно колеблется от 11dB до 17dB, как видно на Рисунке 3.4.

Для двух разных видов усилителей мощности сходный рост коэффициента усиления был зафиксирован для того же 10W GaN-HEMT устройства. Эксплуатационные качества выходной эффективности для данного РЧУМа инверсного класса F были также измерены; выходная эффективность оставалась высокой для разных выходных мощностей, как показано на Рисунке 3.5.

3.3.3 25-ваттный GaN -РЧУМ Класс AB RFPA

Из наблюдений, выполненных над РЧУМом Класса J и инверсным GaN-РЧУМом Класса F, расширение динамического диапазона усиления с увеличением напряжения на стоке может нести потенциальное пользу для повышения линейности в системе AET. Это свойство привело к тому, что конструируется новый GaN-РЧУМ, использующий 25-ваттное GaN HEMT устройство от компании Кри. Этот новый 25-ваттный GaN-РЧУМ был специально сконструирован для системы AET, работающей в Классе AB; об этом сообщено в [6].

Для измерений незатухающего колебания на 25-ваттном усилителе РЧ-мощности  Класса AB при 1.98 GHz радиочастотная мощность была искривлена при напряжении смещении стока от 16V до 30V. Это измерение GaN-РЧУМа показало, что коэффициент усиления значительно колеблется от 14dB до 17.5dB, как видно на Рисунке 3.6. Для данного 25-ваттного GaN-усилителя РЧ-мощности c транзистором с высокой подвижностью электронов (25W GaN HEMT RFPA) расширение динамического диапазона усиления не противоречило предыдущим измерениям на 10-ваттных GaN-РЧУМах с ВПЭ-транзистором (10W GaN HEMT RFPAs).

Показатели выходной эффективности для этого 25-ваттного GaN-усилителя РЧ-мощности Класс AB были также измерены. На Рисунке 3.7 можно увидеть, что эффективность остаётся высокой для различных выходных мощностей.

3.4 Амплитудная характеристика LDMOS РЧУМа.

3.4.1 20-ваттный LDMOS усилитель РЧ-мощности Класса AB был использован для сравнения амплитудной характеристики. Данный транзистор имеет внутреннее входное согласование, а данный РЧУМ был сконструирован для операций Класса AB с внешней выходной сетью согласования. Получившийся 20-ваттный LDMOS РЧУМ Класса AИ показан на Рисунке 3.8.

Для измерений незатухающего колебания при 2 GHz, которые были выполнены на 20-ваттном LDMOS РЧУМе Класса AB, входная радиочастотная мощность была искривлена при напряжении смещении стока от 16V до 28V. Результаты измерений коэффициента усиления даны на Рисунке 3.9. По показателю видно, что коэффициент усиления был линейным, но он сжал динамический диапазон при приближении к пиковому выходному уровню. Коэффициент усиления LDMOS РЧУМа был приблизительно одинаковым при всех напряжениях смещения на стоке. Однако, как было замечено, коэффициент усиления менялся гораздо меньше относительно напряжения смещения на стоке по сравнению с GaN измерениями. Чтобы ясно увидеть минимальную скорость изменения в коэффициенте усиления по отношению к напряжению смещения на стоке, был графически изображён коэффициент усиления LDMOS при постоянном уровне выходной мощности 30dBm. Как показано на Рисунке 3.10, коэффициент усиления оставался почти неизменным с напряжением смещения на стоке.

Показатель выходной эффективности для данного 20-ваттного LDMOS РЧУМа Класса AB был также измерен. На  графике показателя выходной эффективности видно, что выходная эффективность была также увеличена при более высоком напряжении смещения на стоке и более высокой выходной мощности, как показано на Рисунке 3.11. Заметим, что этот РЧУМ не является представителем новейшей LDMOS технологии. Обратим особое внимание на то, что амплитудная характеристика изменяется незначительно при изменении напряжения на стоке. Эффект такой амплитудной характеристики будет проанализирован в Главе 4, а измеренные качества линейности с точки зрения искажения интермодуляции третьего порядка (third-order intermodulation (IM3)) будет представлено в Главе 6.

3.5 Модель GaN-устройства с активной   межэлектродной проводимостью

Из измерений GaN-РЧУМа мы увидели, что коэффициент усиления возрастает при возрастании напряжения на стоке. Это крайне важное свойство нитрида галлия (GaN), тут заложено потенциальное преимущество при конструировании РЧУМа. Далее мы рассмотрим модель активной межэлектродной проводимости (transconductance model), предоставленную компанией Кри для 25-ваттного GaN-устройства. Из фундаментальной теории электроники мы знаем, что коэффициент усиления транзистора – это функция его активной межэлектродной проводимости. Следовательно, данный 25-ваттный GaN транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT) моделируется при использовании программного обеспечения Передовой Системы Разработок компании «Аджилент» (Agilents Advanced Design System (ADS)), чтобы выяснить: является ли изменение коэффициента усиления результатом изменения показателя активной межэлектродной проводимости для постоянного входного сигнала. Из результатов моделирования переменной составляющей (AC simulation results), мы обнаружили, что значение активной межэлектродной проводимости возрастает при возрастании напряжения на стоке. Модуляция осуществляется при 2 GHz, ток покоя на стоке составляет 10% от тока насыщения на стоке. Эти установки смещения были специально согласованы с предыдущими установками при измерении GaN-РЧУМа. График модуляции активной межэлектродной проводимости показан на Рисунке 3.12. На этом графике мы видим, что значение активной межэлектродной проводимости повысилось от уровня 2.32 при напряжении смещения на стоке 16V до уровня 5.15 при напряжении смещения на стоке 28V. Это является значительным повышением, а данное изменение в активной межэлектродной проводимости влияет на коэффициент усиления проектируемого РЧУМа.

3.6 Резюме главы

В данной главе РЧУМы двух различных технологий были измерены и сравнены. В измерениях незатухающего колебания трёх GaN-РЧУМов – 10-ваттного Класса J, 10-ваттного инверсного класса F и 25-ваттного Класса AB – было продемонстрировано значительное колебание коэффициента усиления в зависимости от указанного напряжения на стоке. Другая серия измерений незатухающих колебаний была проведена на LDMOS РЧУМе; в этом случае не наблюдалось никаких значительных колебаний коэффициента усиления при изменении напряжения на стоке. Серия модуляций была также проведена с использованием модели GaN-транзистора, и было замечено, что активная межэлектродная проводимость повысилась при повышении напряжения на стоке. Все эти исходные измерения и модуляции на GaN РЧУМах показали важную характеристику GaN-транзистора, которая может привести к увеличению линейности. Это мы осветим в последующих главах.

ГЛАВА 4

ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ

О ВСПОМОГАТЕЛЬНОМ ОТСЛЕЖИВАНИИ ОГИБАЮЩЕЙ

4.1 Введение

Понятие «вспомогательного отслеживания огибающей» (AET) в системе усилителя мощности получено из технического метода повышения эффективности, который называется «отслеживание огибающей» (ET). Метод ET был освещён, а его характерное отличие от системы AET также кратко изложено в Главе 2. В этой главе представлен математический анализ повышения эффективности и линейности системы AET.

4.2 Концепция AET для линейности

Идея использовать AET для увеличения линейности возникла из наблюдений за амплитудной характеристикой GaN-транзистора с высокой подвижностью электронов (GaN HEMT). В данном разделе мы проанализируем данные по показателям коэффициента усиления 25-ваттного РЧУМа Класса AB с транзистором с высокой подвижностью электронов (25W GaN HEMT Class AB RFPA). Эти данные были приведены в Главе 3. На Рисунке 4.1 дана трёхмерная демонстрация коэффициента усиления по отношению к выходным мощностям и напряжению на стоке.

Как показано в предыдущей главе (Рисунок 3.2), при постоянной выходной мощности затухание передачи фильтра меняется аппроксимативно линейно с уровнем напряжения смещения на стоке. Этот положительный градиент коэффициента усиления является основным свойством, который используется здесь для увеличения интермодуляционного искажения третьего порядка (IM3). Значения переменных можно определить, поставив измеренное изменение коэффициента усиления в логарифмическую функцию. После приведения в соответствие экстраполяции и уравнения (касательно коэффициента усиления – «gain») g1-соотношение (g1 relationship) выражается уравнением (4.1), и это уравнение соотносится с Рисунком 4.2.

На линейной шкале коэффициент усиления, g1, будет иметь экспоненциальное колебание с напряжением на стоке, Vd, в таком выражении (4.2) ниже, где α и β являются константами, извлечёнными из измерений a и b на шкале в децибелах.

                       

Мы предполагаем, что GaN-транзистор с высокой подвижностью электронов имеет нелинейную стокозатворную характеристику (4.3) и что напряжение на стоке, Vd отслеживает огибающую входного сигнала, Vin (4).

                                   

Далее мы подставляем уравнение (4.4) в (4.2) и заменяем g1 в (4.3) получившемся уравнении. Мы расширяем уравнение, используя экспоненциальный ряд, и обрезаем её на элементах третьего порядка (the third order terms). Выходной ток, io, составит [1];

               

Так как источник IM3-искажения порождается прежде всего компонентом третьего порядка (third order component) (уравнение (4.6)) (здесь главное слово «искажение», его источник порождается), отслеживаемая характеристика напряжения предоставляет возможность подавить продукт интермодуляции третьего порядка (IM3 product). Это можно сделать путём выбора подходящего значения δ при условии, что g3, константа третьей степени из нелинейного уравнения остаётся в большинстве случаев отрицательной. Значения α и β извлечены из колебания коэффициента усиления GaN-устройства. Заметьте также, что с момента когда GaN-устройство показывает колебание экспансивного коэффициента усиления, значение α остаётся всегда положительным и для любого значения β его площадь всегда положительна.

Проще говоря, функция встроенного устройства компрессии может быть подавлена увеличивающимся коэффициентом усиления, производимым возрастающим стоком.

Это выдвигает на передний план линеаризующий подход, который требует увеличение напряжения питания на более высоких уровнях возбуждения и снижение напряжения питания на более низких уровнях возбуждения. В AET-системе модулируемый сигнал, используемый для смещения стока, имеет потенциальную возможность линеаризовать РЧУМ с незначительным снижением общей эффективности или совсем без снижения.

4.3 Концепция AET для эффективности

В обычной системе отслеживания огибающей (ET) или удаления и восстановления огибающей (EER) крайне важным является усилитель огибающей (EA) или мощность потерь путевого генератора. Общая выходная эффективность системы ET является произведением эффективности усилителя огибающей на стоке (envelope amplifier drain efficiency) и эффективности РЧУМа, как показано в уравнении (4.7).

Однако в техническом методе AET требование конструкции усилителя огибающей (EA) снижено вследствие отделения переменной составляющей (AC component) сигнала отслеживания огибающей от постоянной составляющей (DC component). Отдельно выработанная переменная составляющая отслеживающего напряжения таким образом совмещается на смещении фиксированного постоянного тока (fixed DC bias), чтобы выработать отслеживающий сигнал AET, который направляется на сток РЧУМа. Так как переменная составляющая отслеживающего напряжения намного меньше, чем постоянная составляющая, то потребляемая мощность будет совсем небольшой. В качестве примера отслеживающая система огибающей синусоидального сигнала (a 2-carrier signal envelope tracking system), показана на Рисунке 4.3.


Отслеживающий сигнал является идеальным синусоидальным сигналом от 0V до VS. При условии, что данный РЧУМ представляет собой активную нагрузку (resistive load, RL), то постоянная составляющая отслеживающего сигнала имеет напряжение , а её мощность . Для переменной составляющей отслеживающего сигнала амплитуда размаха сигнала синусоидального показателя равна VS, вследствие этого, её мощность . Полная мощность равна  . Следовательно, потребляемая мощность отслеживающего сигнала переменной составляющей равна лишь  от полной мощности. Данное вычисление можно повторить для более сложной, репрезентативной огибающей сигнала, как показано на Рисунке 4.4, что является вспышкой канала WCDMA с отношением пиковой и средней мощностей (PAR) 9.17dB.

Если мы предположим, что электропитание РЧУМа отслеживает эту огибающую точно и что РЧУМ функционирует в режиме Класса B, тогда ток источника питания будет также отслеживать и функцию амплитуды огибающей. Если функция огибающей определяется как env(), где n – это образец отсчёта (sample count), τ – это образец интервала (sample interval), то постоянная составляющая подаваемого напряжения – Vdc, а подаваемый ток Idc, в целом это имеет вид:

Полная мощность, Ptotal, которая подаётся:

В случае WCDMA-всплеска (WCDMA burst), показанного на Рисунке 4.4, можно подсчитать, что это будет иметь следующие значения:

таким образом, отношение  переменной составляющей к полной подаваемой мощности примерно 1 к 5, или 20%. Это вычисление также предполагает, что отслеживающее напряжение распространится на весь диапазон огибающей, а для AET это несвойственно. Сокращение диапазона, в котором огибающая отслеживается, приведёт к дальнейшему увеличению вышеназванного отношения. Это крайне важный результат; он означает, что если отслеживание источника напряжения разбить на его составляющие: постоянная составляющая и переменная составляющая (DC and AC components), только переменной составляющей потребуется конвертор. Влияние эффективности данного конвертора будет соответствующим образом уменьшено по сравнению с обычными ET-системами, которые вырабатывают целый отслеживающий сигнал как единый объект.

Это можно проиллюстрировать количественно, рассматривая общую подаваемую мощность в РЧУМ в случаях ET и AET. В случае с ET общая подаваемая мощность равна:

                       

Тогда как в случае с AET общая подаваемая мощность равна:

           

Полная эффективность для системы ET тогда можно выразить в форме:

А в случае с AET полная эффективность равна:

                     

где мощность AET (PAET) дана в уравнении (4.11), а ηpeak является максимальной эффективностью РЧУМа.

Рисунок 4.5 показывает, что предложенная система AET имеет меньшую зависимость от эффективности путевого генератора по сравнению с AET-системой; настолько меньшую, что в принципе простой линейный усилитель группового сигнала (linear baseband amplifier) может быть использован для выработки переменной составляющей.

4.4 Влияние модуляции огибающей на эффективность AET

4.4.1 Введение

Исходя из вышеприведённого анализа эффективности AET мы далее исследуем влияние конвертора или путевого генератора на эффективность системы путём проведения модуляции WCDMA-сигнала на измеренных данных незатухающего колебания 25-ваттного GaN-РЧУМа Класса AB. Из измерений незатухающего колебания РЧУМа при 1.98GHz были определены выходная мощность, ток стока и напряжение на стоке. На основе этих измеренных данных была выведена корреляция между током стока и входящей мощностью. Эта корреляция необходима для моделирования необходимого тока стока для модулированного WCDMA-сигнала, который имеет отношение пиковой и средней мощностей 6.06dB (PAR). Корреляция между входящей и исходящей мощностью также выведена из этих измеренных данных, для того чтобы смоделировать радиочастотную выходную мощность на основе данных входящего WCDMA-сигнала.

4.4.2 Измерение незатухающее колебания 25-ваттного GaN-РЧУМа Класса AB

Измерения незатухающего колебания были произведены при двух различных смещениях затвора. Первое напряжение смещения затвора было -2.97V, выдавая ток покоя на стоке, IDQ,300mA. Данный ток покоя составляет 5% от тока насыщения на стоке. Второе смещение затвора было -2.56V, выдавая ток покоя на стоке, IDQ,750mA. Данный ток покоя составляет 12,5% от тока насыщения на стоке. Напряжение смещения на стоке было 28V. В этом измерении были высчитаны выходная мощность и ток стока. Эксплуатационные качества эффективности стока на данном РЧУМе показаны на Рисунке 4.6. Максимальная эффективность при IDQ = 300mA составила 72%, тогда как максимальная эффективность при IDQ = 750mA составила 66%.

На основе графика соотношения тока стока и входной мощности, Рисунок 4.7, выведение линии тренда кривых было произведено с помощью Microsoft Excel. Уравнение, показывающее отношение тока стока и входящей мощности при IDQ = 300mA, имеет следующий вид:

Уравнение для определения тока стока относительно входящей мощности при IDQ = 750mA:


Измеренное отношение выходящей мощности и входящей мощности РЧУМа  графически изображено на Рисунке 4.8. Здесь также выведена линия тренда кривых входной и выходной мощностей.

При IDQ = 300mA уравнение таково:

для IDQ = 750mA, уравнение таково:

4.4.3 Моделирование WCDMA-огибающей

Сигнал WCDMA-огибающей высчитан из синфазного (I) и квадратурного (Q) сигналов с помощью уравнения (4.17):

Далее, при условии, что сопротивление приведено к 1, радиочастотная входная мощность будет высчитана по уравнению (4.18),

Используя уравнения (4.13) и (4.14), мы высчитываем ток стока для соответствующей входной мощности. Для вычисления радиочастотной выходной мощности для соответствующей входной мощности используются уравнения (4.15) и (4.16). Ток стока для обоих смещений затвора для WCDMA-сигнала графически представлен на Рисунке 4.9. Обратим особое вниманием на то, что общее количество образцов для данного вычисления равно 5123, а данные схемы на рисунке показывают только 2000 образцов, взятых для наблюдений.

На Рисунке 4.9 замечено, что размах тока стока (drain current swing) при IDQ = 300mA немного больше, чем размах тока стока при IDQ = 750mA. Это связано с тем, что 300-миллиамперная статическая рабочая точка (300mA quiescent point) ближе к типу Класса В (Class B mode) по сравнению с током покоя на стоке = 750mA, и поэтому размах напряжения на затворе более высокий, для того чтобы поддержать максимальный ток.

На данном этапе моделируются РЧ входная мощность, РЧ выходная мощность и ток стока. Для операций ET и AET напряжение смещения на стоке РЧУМа является отслеживающим напряжением, которое выводится из WCDMA-сигнала огибающей. Поэтому напряжение смещения на стоке имеет такую же форму волны, как и огибающая WCDMA-сигнала. Схема напряжение смещения на стоке для ET/AET операций показана на Рисунке 4.10. В конкретном примере отслеживающее напряжение смещения на стоке усиливается, чтобы выработать отслеживающую амплитуду 12.7V, где максимальное отслеживающее напряжение смещения на стоке равно 28V. Это такое же напряжение, как и фиксированное напряжение смещения на стоке, использованное для измерений незатухающего колебания РЧУМа, представленного в разделе 4.4.1. 28-вольтное напряжение смещения на стоке (28V drain bias voltage) также используется для моделирования эксплуатационных качеств РЧУМа посредством WCDMA-сигнала при фиксированном смещении стока.

Используя уравнения, проанализированные в разделе 4.3, мы резюмируем  результаты смоделированных эксплуатационных показателей РЧУМа, смещённого при IDQ = 300mA и = 750mA в Таблице 4.1, Таблице 4.2 и Таблице 4.3

В Таблице 4.1 смоделирована средняя эффективность РЧУМа с WCDMA-сигналом для фиксированного смещения стока. Средняя эффективность подсчитана с помощью уравнения (4.19);

Средняя радиочастотная мощность, PRFavg высчитывается с помощью уравнений (4.15) и (4.16). Средняя мощность постоянного тока высчитывается с помощью уравнения (4.20), где ток стока вычисляется по уравнениям (4.13) и (4.14) для IDQ = 300mA и = 750mA соответственно.

В (4.20) N является количеством образцов для WCDMA-сигнала, а Vd – это напряжение смещения на стоке 28V.

По Таблице 4.1 видим: средняя эффективность, смоделированная при IDQ = 300mA равна 45.62%, а при IDQ = 750mA равна 45.59%. Мы получаем обнадёживающие результаты для обоих смещений, в то время как изменения в смещении затвора приводят лишь к небольшому изменению средней эффективности. Однако же в данном моделировании мы предполагаем, что данный РЧУМ не проявляет никакого эффекта памяти, вызванного характеристикой модулируемого WCDMA-сигнала с высоким отношением пиковой и средней мощностей (PAR) и протяжённой шириной полосы частот сигнала.

В Таблице 4.2 эффективность стока для ET-системы подсчитывается с помощью уравнения (4.7), а общая затрачиваемая мощность, Ptotal, и затрачиваемая мощность на отслеживание огибающей (ET supplied power, PET,) подсчитываются по уравнениям (4.9) и (4.10). В данном моделировании эффективность стока конвертора рассматривается для двух случаев. Первый случай, когда эффективность стока конвертора равна 50%, второй – когда эффективность стока конвертора равна 70%. Показатели максимальной эффективности РЧУМа взяты из измерений незатухающего колебания. В Таблице 4.2 можно увидеть, что более низкой является эффективность ET-системы с более высоким током покоя. Тем не менее для того же самого смещения затвора, если мы повысим эффективность конвертора, также повысится и эффективность ET-системы.

Как было сказано в разделе 4.3, концепцией AET является отделение выработки постоянной составляющей и переменной составляющей напряжения смещения на стоке. По этой причине было проведено моделирование для обнаружения переменной составляющей и постоянной составляющей затрачиваемой мощности. В данном моделировании общая затрачиваемая мощность, Ptotal, и затрачиваемая мощность AET, PAET, подсчитываются с помощью уравнений (4.9) и (4.11). Постоянная составляющая затрачиваемой мощности, Pdc и переменная составляющая затрачиваемой мощности, Pac, подсчитываются с помощью уравнения (4.21) и (4.22), где Vdc и Idc изначально высчитаны по уравнению (4.8). Наконец, эффективность системы AET высчитывается по уравнению (4.12).

Результаты по данному моделированию, отображённые в Таблице 4.3, ясно показывают, что эффективность AET-системы становится ниже при повышении тока покоя на стоке, IDQ. Также они показывают, что для того же смещения затвора AET-система имеет более высокую эффективность, когда эффективность конвертора выше. Это же согласуется и с ET-системой, однако AET-система намного лучше, чем ET-система с точки зрения эффективности системы.

4.5 Резюме главы

В данной главе детально исследуется концепция AET. Аналитически объяснён вклад характерных особенностей нитрид-галлиевого коэффициента усиления в процесс повышения линейности РЧУМа. Ключевое понятие в ходе отделения постоянной составляющей от переменной составляющей мощности, затрачиваемой на РЧУМ, ведёт к повышению эффективности AET-системы. Данное повышение эффективности было продемонстрировано математически на примере сигнала двух несущих. Анализ эффективности AET-системы далее исследуется посредством моделирований WCDMA-сигнала. Эти моделирования сравнивают показатели РЧУМа при фиксированном напряжении питания с ET-системой, а также и с AET-системой. Показатели эффективности моделируемой системы демонстрируют, что AET-система имеет возможность стать предпочтительным методом повышения эффективности.

Глава 5

Конструирование радиочастотного усилителя мощности  25W GaN класса AB 

5.1 Введение

Первоначальные измерения радиочастотного усилителя 10W GaN класса J показали, что коэффициент усиления усилителя с нитрид-галлиевым транзистором варьируется в зависимости от напряжения стока.  В главе 3 рассматривались изменения коэффициента усиления данного нитрид-галлиевого усилителя, что можно использовать для улучшения линейности РЧ-усилителя, применяя принцип вспомогательного отслеживания огибающей (the AET technique). Концепция технического  метода AET,  способного улучшить как производительность, так и линейность, была проанализирована в главе 4.  Были проведены экспериментальные измерения с использованием  синусоидальных сигналов и сигналов WCDMA, которые подтвердили анализ  AET.  Измерения выполнялись с помощью специально сконструированного  усилителя для приложения  AET. В данной главе рассматривается конструирование и изготовление РЧ-усилителя мощности.


5.2 Конструирование РЧ-усилителя мощности.

Прежде чем приступать к испытаниям или производству усилителя мощности, следует учитывать  следующее.

Во-первых, необходимо выбрать используемое устройство, в котором четко определены допустимая мощность (класс мощности), рабочая частота и тип транзисторов.

Во-вторых, следует выбрать рабочий режим усилителя и напряжение смещения.
В-третьих, нужно проверить устойчивость работы устройства  на интересующей нас частоте.
Все эти три условия необходимы при конструировании усилителя.


5.2.1 25-ваттный нитрид-галлиевый транзистор с высокой  подвижностью электронов

Для конструирования РЧУМа был выбран 25-ваттный нитрид-галлиевый транзистор с высокой  подвижностью электронов (CGH40025) от компании  (Cree).  В техническом описании (приложение Б) указано, что у данного транзистора  стандартное рабочее напряжение 28 V и максимальное напряжение стока 84 V.    Такие характеристики делают его пригодным для AET, где  на сток подается модулирующий сигнал, то есть, переменное напряжение. Транзистор также демонстрирует хорошие эксплуатационные качества с точки  зрения производительности,  коэффициента усиления и диапазона рабочих частот. Нелинейное устройство, предоставленное компанией Cree, было использовано в нелинейной имитационной модели ADS, созданной при помощи программы инструментальных средств компьютерного проектирования (CAD) от компании  Agilent. Характеристики DC-IV (?) данного транзистора были сымитированы.  Данные показаны на рисунке 5.1.

5.2.2 Усилитель мощности класса AB для системы AET

В четвертой главе говорилось, что линейность и производительность можно улучшить, используя систему AET. Следовательно, чтобы продемонстрировать улучшение эксплуатационных качеств РЧУМа, было решено работать с усилителем класса  AB, это компромиссный выбор между классическими линейным классом   A  и  производительным классом B . Напряжение смещения на затворе было выбрано таким образом, чтобы ток стока в покое, IDQ , был на уровне 5% от максимального значения тока стока при насыщении,  Id,max.  Для этого устройства максимальное значение тока стока, Id,max , равно 6 А.   На рисунке 5.2 видно: ток стока в покое был приблизительно равен 350 мА, что соответствует значению напряжению затвора в покое -2.15В.


5.2.3 Проверка прибора на устойчивость

Важным шагом в конструировании РЧУМа является анализ его устойчивости, это позволяет избежать возникновения самовозбуждения.

В данном случае  устойчивость прибора проверяется при помощи передовой системы разработок (ADS) на частоте около 2 ГГц, поскольку рассматриваемый РЧУМ применяется в системах широкополосного многоканального доступа с кодовым разделением (WCDMA).

При проверке прибора на устойчивость использовалась стандартная схема ADS, которую можно найти в программном обеспечении.

Результат проверки с точки зрения коэффициента устойчивости ‘K’ показан на рис. 5.3. Коэффициент устойчивости ‘K’ – это единица измерении устойчивости, обсуждавшаяся в [4] и показывающая, что прибор абсолютно устойчив при ‘K’ больше 1 (K>1).

Как показано на рисунке 5.3, коэффициент стабильности устройства равен 0,691 на частоте 2 ГГц при напряжении смещения на затворе  -2.1 V (вольт). Данное устройство условно устойчиво при k<1 на интересующем нас диапазоне частот (около 2,0 ГГц) и абсолютно устойчиво на частое 2,6 ГГц и выше.

На рисунке 5.4 отмечены области устойчивости и неустойчивости устройства. Необходимо, чтобы соответствующий импеданс устройства находился в устойчивой области согласно круговой диаграмме Смита как для цепи ввода, так и цепи выхода.   Кроме того устройство можно сделать устойчивым, поместив на его входном порте резистор.

Обратите внимание, что используемая в проверке модель устройства включает паразитный импеданс корпуса / конструкции.  В ходе проверки на устойчивость рассматривался импеданс конструкции и матрицы.  Следовательно, при  создании согласующей импедансной цепи  в области условно устойчивых частот, нужно учитывать  паразитные элементы конструкции.

5.3 Модель РЧУМа

При конструировании РЧУМа требуется, чтобы согласующая импедансная цепь передавала максимальную мощность в выходную цепь усилителя при заданном коэффициенте усиления. Согласующая цепь также необходима для минимизации любого отражения, исходящего от нагрузки и источника. Существует две согласующие импедансные цепи в РЧУМе: входная согласующая цепь и выходная согласующая цепь.  Входная согласующая цепь согласуется с входным импедансом устройства, а следовательно выходная согласующая  цепь  - с выходным и импедансом нагрузки. Стандартный импеданс источника и нагрузки  равны 50 Ω.  В процессе конструирования входной и выходной согласующих цепей проводится серия имитационных экспериментов в рамках ADS. Таким образом элементы согласующей и смещающей цепи подстраиваются друг под друга для достижения эффективного функционирования и устойчивости.

5.3.1 Выходная паразитная цепь 25-ваттного нитрид-галлиевого транзистора с высокой подвижностью электронов

Используемый в рассматриваемом РЧУМе 25-ваттный  нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов (CGH40025) предоставлен компанией «Кри», имеет фланцевую конструкцию.

Нелинейная модель данного устройства включает паразитные реактивные сопротивления. Паразитная цепь этих сопротивлений состоит из пассивных элементов, к которым относятся выходная емкость, индуктивности проводников. Схема данной паразитной цепи показана на рис. 5.5. Порт 1 представляет  плату/ панель источника питания, а порт 2 представляет  (?) package plane устройства. Плата /панель (?) источника питания – это контрольная панель /матрица (?),  на которой наблюдаются фактические волновые колебания тока и напряжения во время функционирования усилителя класса AB.  В процессе подготовки эксперимента аналог данной цепи с негативным значением представлен в качестве исключающей (de-embedding) цепи (??), для того чтобы наблюдать волновые колебания тока и напряжения на плате /панели (?) источника питания.


5.3.2 Имитация переменного импеданса нагрузки


После того как устройство выбрано и определен режим работы, необходимо провести тестирование для нахождения оптимального импеданса.  Первым шагом будет испытание на одной частоте. Переменный импеданс нагрузки анализируется с помощью круговой диаграммы Смита: импедансы нагрузки рассчитываются на контурах по достижимому оптимальному значению выходной мощности. Дальнейшие  пояснения представлены в источнике [3]. Используя образец для  имитации  (который предоставлен
ADS), находим оптимальный согласующий импеданс путем расчета оптимальной выходной мощности, КПД добавленной мощности (the power-added-efficiency (PAE) ) и КПД стока в пределах определенного радиуса действия.    На схеме 5.6 представлено данная имитация.

Рабочая зона основной нагрузки настраивается под радиус действия, центральную точку зоны  и соответствующий импеданс нагрузки. Чтобы настроить импеданс источника, регулируется переменная (variable) импеданса источника.(?)  Для этого устройства оптимальный основной импеданс источника оказался равен 1.1 –j1.9 Ω , а основной импеданс нагрузки  равен be 18.2+j3.5 Ω. Обратите внимание, что данный импеданс выявлен  на уровне конструкции, в которую включены паразитные реактивные сопротивления.


5.3.3 Тестирование на колебания мощности с помощью тюнера нагрузки

На рис. 5.8 можно увидеть тестирование на колебания мощности. Во время моделирования переменного импеданса нагрузки, эксплуатационные качества в отношении производительности и выходной мощности имитируются выбором соответствующей  нагрузки для конструкции.   При моделировании работы по колебаниям мощности, мы можем наблюдать за током и напряжением на уровне генератора тока,  используя паразитную устраняющую (de-embedding (?) цепь. Важно убедиться, что РЧУМ работает в желаемом режиме.

Паразитная устраняющая цепь состоит из паразитной  цепи «минус» и паразитной цепи «плюс». Паразитная цепь «плюс»  – это  паразитная цепь устройства (рис . 5.5), в то время как  цепь «минус» - ее отрицательный аналог (дубликат, эквивалент). Эта паразитная устраняющая цепь включена в главную схему (рис. 5.9) в качестве OutTransparentMeasure block. На этой стадии для правильной  демонстрации волновых колебаний питания и напряжения по классу AB отлаживается основная и гармоническая нагрузка.   На схеме волновые колебания оптимизированы настройкой комплексного импеданса нагрузки и источника.


На рис. 5.9 представлена расширенная устраняющая цепь в блоке типа
OutTransparentMeasure. С помощью идеального блока сцепления составлен график волновых колебаний (рис. 5.10), где представлены питание и напряжение на уровне генератора тока и конструкции.

Как показано на рис. 5.10, колебание тока на выходе (уровень генератора тока) с настроенными импедансами демонстрирует колебание тока класса AB. Однако на уровне конструкции  всё иначе: есть некоторый ток с напряжением ниже нуля. Такой не равный нулю ток называют током смещения, который обусловлен зарядом, саккумулированным на стоке, источнике и паразитной емкости. Колебание напряжения на уровне генератора тока показывает свойства волны класса J вместо класса AB, что, воможно, вызвано чрезмерной настройкой РЧУМа для демонстрации его лучших эксплуатационных качеств во время регулирования импеданса.

После настройки  импеданса основной согласующий импеданс на выходе на уровне конструкции равен 11.35 Ω, тогда как на уровне генератора тока он равен 13.69 Ω.   Что касается основного входного импеданса , значение осталось 1.1 –j1.9 Ω. Рис. 5.11 показывает эксплуатационные качества в отношении  коэффициента усиления и КПД стока, где значение сымитированного коэффициента усиления 21dB, а КПД стока 57% при выходной мощности в 44dBm.   КПД стока для класса AB достаточно низок, и чтобы его улучшить необходим следующий этап моделирования.


5.3.4 Имитирование трансмиссионной линии ADS

Комплексный импеданс входной согласующей цепи и истинный импеданс выходной согласующей цепи теперь трансформируются в идеальную трансмиссионную линию.  На рис. 5.12 вы видите идеальные трансмиссионные линии для входной и выходной согласующих цепей, для чего используется круговая диаграмма Смита применительно к ADS. Входной согласующий импеданс, равный  1.1 –j1.9 Ω , последовательно трансформируется в разомкнутый шлейф  вместе с питающей линией, а выходной согласующий импеданс, равный 11.35 Ω, трансформируется в четвертьволновой преобразователь, используя идеальную трансмиссионную линию.  Затем цепь с идеальной трансмиссионной линией  моделируется при помощи имитирующей установки на колебание мощности (рис. 5.12).

В этой схеме идеальный питающий индуктор  постоянного тока на порте  смещения на стоке также был заменен идеальной четвертьволновой трансмиссионной линией.  Эта четвертьволновая трансмиссионная линия создает короткое замыкание на постоянном  токе и разомкнутый контур на радиочастоте  (RF). Использование четвертьволновой трансмиссионной линии также служит для укорачивания второго гармонического импеданса согласующей цепи, что улучшает линейность РЧУМа.  Благодаря паразитным элементам между генератором тока и согласующей трансмиссионной линией четвертьволновая трансмиссионная линия настроена таким образом, что длина линии не более 90º и равна 20º (рис. 5.2).

После перестройки (tuning) на четвертьволновую трансмиссионную линию, КД стока улучшился (рис. 5.13), однако, негативным побочным эффектом явилось падение коэффициента усиления с 21dB до 16,5 dB. В результате перестройки основной выходной согласующий импеданс конструкции поменялся на 7.92 Ω.

На данной стадии также проводится линейная симуляция, на рис. 5.14 показаны малый сигнал фактора (коэффициента (?) ) отражения, S11,  и малый сигнал трансмиссионного коэффициента, S21. На участке S11  (см. рис.) видно, что усилитель не стабиле на низких частотах. Чтобы устранить данную нестабильность, добавляется резистор на входе устройства, и это будет рассмотрено в следующем пункте.

5.3.5 Симуляция микрополосковой линии ADS с цепью смещения

На данном этапе идеальные трансмиссионные линии заменяются реальными микрополосковыми линиями. Используемая в РЧУМе микрополосковая линия – высокочастотный ламинат от RT/Duroid ® 5880  от корпорации «Роджерс» (Rogers Corporation) [6].  Свойства данного ламината (см. таблицу 5.1) учитываются  в симуляции (имитационной модели/ имитации / моделировании).

Идеальные линии передачи и четвертьволновая линия питания из предыдущей схемы заменяются микрполосковой линией типа RT/Duroid ® 5880. Помимо согласующей цепи и линии питания также принимаются во внимание связи, соединяющие пассивные компоненты, контакты устройства и входной и выходной разъемы, что удлиняет микрополосковую линию. Дополнительная длина микрополосковой линии показана на схеме (рис. 5.15).

Идеальное постоянное напряжение смещения в цепи смещения  затвора теперь замещается настоящим индуктором. Также в эту схему включены значения реальных блокирующих емкостей для входного и выходного портов.

Как отмечалось в предыдущей имитации линейности, по полученным результатам устройство было несколько неустойчиво на низких частотах.  Для улучшения устойчивости резистор R1 (рис. 5.15) размещается между источником напряжения смещения на затворе и развязывающим конденсатором C1. Резистор нужен, чтобы удалить негативное сопротивление, вызывающее самовозбуждение на низких частотах. Для придания устойчивости также был добавлен резистор R2 на входе  устройства параллельно с емкостью C2. Резистор может стабилизировать устройство на всех частотах, включая даже те, что находятся  за пределами интересующего нас диапазона. Однако резистор снижает усиление трансмиссии устройства. Для этого и нужна параллельно присоединенная емкость, чтобы потеря на резисторе (resistor loss) происходила только на низких частотах. На высоких частотах емкость блокирует резистор, соответственно на усиление нет влияния.

Результат линейной имитации (рис. 5.16) показывает, что коэффициент отражения на входе отрицательный для всех частот в диапазоне между 500 МГц и 3 ГГц. Это достигается поддерживанием малого сигнала S21.  Эксплуатационные качества в отношении КПД стока и усиления показаны на рис. 5.17. Усиление в имитации на микрополосковой  линии улучшилось по сравнению с имитацией идеальной трансмиссионной линии, в то  время как поддерживается КПД стока. Основной выходной согласующий импеданс на уровне конструкции изменился и стал равен 11.11 Ω с учетом цепи устойчивости и истинных значений для блокирующих емкостей.  Обратите  внимание, что значение данного выходного согласующего импеданса ближе к значению, полученному во время тестирования на колебания мощности с помощью тюнера нагрузки.

5.3.6 Имитация платы с использованием импульса

После имитационных действий с микрополосковой линией была определена специфическая длина для трансмиссионных линий согласующей цепи. Следующим шагом является использование импульсного ADS-симулятора для имитации электромагнетических (ЭМ) эффектов на микрополосковой линии, включая разделительные и паразитные емкости. Для улучшения работы РЧУМа эти ЭМ-эффекты принимаются во внимание. Данный шаг необходим, чтобы произведенный РЧУМ отвечал заданным техническим характеристикам и показывал те  же эксплуатационные качества, рассчитанные во время имитации.

В этой ЭМ-имитации микрополосковая линия  нанесена на плату с помощью программы/инструмента переноса типа Schematic-to-Layout.  Затем с использованием ADS-импульса проводится имитация платы, за основу берутся качества микрополосковой линии, которые импортируются со схемы.   Импульс стимулирует плату и появляются данные – S-параметры. Данные, полученные в ходе данной имитации, возвращаются на схему, заново имитируются с использованием проверки на  колебания мощности. Результаты имитации по параметрам S11 и S21  представлены на рис. 5.18.  Результат S11 показывает, что устойчивость достигнута на интересующих нас частотах. В сравнении с предыдущей имитацией результат S21  показывает небольшое изменение в отношении сигнального усиления  на низких частотах. Коэффициент усиления и КПД стока сравниваются с полученными результатами (см. рис. 5.21 и 5.22).

Окончательный дизайн платы показан на рис. 5.19, она состоит из всех микрополосковых линий, мест их сквозных соединений, на плате также оставлено место для пассивных компонентов и самого транзистора.  Контур платы также представлен ради целей монтажа. После монтажа 25-ваттный  нитрид-галлиевый транзистор с высокой подвижностью электронов и все пассивные компоненты были подсоединены к наборной панели, которая содержала соответствующий луженый контакт заземления.   Произведенная модель 25-ваттного нитрид-галлиевого РЧУМа показана на рис. 5.20.

  

5.4 Измерение эксплуатационных  качеств РЧУМа

5.4.1 Результат измерений S21

После  того, как  РЧУМ был собран, последний шаг – проведение измерений.  Во-первых, РЧУМ проверяют на устойчивость и оказалось, что у РЧУМа не наблюдалось никакого самовозбуждения. Затем измерили малое сигнальное усиление S21 с использованием векторного анализа цепей на частотах между 30 кГц и 3 ГГц.   Полученный результат сравнивается с имитацией колебаний мощности с ЭМ-имитированными микрополосковыми линиями.  Результаты можно видеть на рис. 5.21. РЧУМ был сконструирован и настроен таким образом, чтобы рабочая частота была 2,0 ГГц. Результат измерений, однако, показал, что усилитель оптимально функционирует на более низкой частоте. Для дальнейших измерений работы двух несущих и сигналов WCDMA, рабочей частотой было выбрано значение в 1,98 ГГц, что не намного отличается от изначальной рабочей частоты, и при этом достигается хороший коэффициент усиления. Измерения также показали резонансный эффект около 700 МГц, что объяснялось некорректной моделью емкости для низкой частоты. Поскольку рабочей частотой РЧУМа для АЕТ-систем выбрали 1,98 ГГц, то мы не рассматриваем проблему резонанса, которая проявилась на гораздо более низкой частоте.

5.4.2. КПД стока и функционирование усиления

Эксплуатационные качества данного РЧУМа в отношении КПД стока и усиления измерялись с помощью стандартной установки, измеряющей незатухающие колебания. Частота измерения была 1,98 ГГц, а напряжение смещения на стоке 28В. Значение тока покоя на стоке было выбрано 300 мА. Данные о КПД стока данного 25-ваттного РЧУМа  показаны на рис. 5.22, а усиление – на рис. 5.23.  КПД стока на выходной мощности около 44 дБм, что составляет 74%,  и это значение выше результата, полученного в ходе имитации, которая предсказала КПД усиления на уровне 68%.  При улучшении КПД стока усиление в 17,5 дБ оказалось слегка ниже усиления, достигнутого в ходе имитации и равного 19 дБ. Однако в целом,  РЧУМ демонстрирует хорошие эксплуатационные качества, характерные для класса AB.


5.4.3 Эксплуатационные качества РЧУМа при переменном напряжении стока

В пункте 5.1 упоминалось, что данный РЧУМ специально конструировался для АЕТ-систем для устройств с переменным напряжением. Соответственно проводились измерения при разных напряжениях. Была выполнена серия измерений незатухающих колебаний  для напряжений в диапазоне от 16 В до 30В. На рис. 5.24 показаны значения усиления. Из рисунка понятно, что усиление растет, если растет напряжение. Работа данного РЧУМа согласуется с измерениями на предшествующем 10-ваттном нитрид-галлиевом РЧУМе класса J (см. главу 3), и как описано в главе 4, подобное поведение являет полезную характеристику для улучшения линейности при использовании АЕТ.    Также измерялось КПД стока у РЧУМа, как показано на рис. 5.25, из которого видно, что КПД (производительность) остается высоким/ой  при всех напряжениях. Измерение искажений AM-PM демонстрирует, что фаза изменяется при максимальной входной  мощности (примерно 60В) и  фиксированном напряжении на стоке в 30В (рис. 5.26.).

5.5 Резюме главы

 В этой главе представлена конструкция 25-ваттного нитрид-галлиевого РЧУМа класса AB. Дано подробное описание РЧУМа  на различных этапах: от имитации переменного импеданса нагрузки до тестирования на колебания мощности с использованием тюнера нагрузки, идеальных трансмиссионных линий и настоящих микрополосковых линий.  Затем представлен чертеж платы с использованием импульса ADS , который проходит имитацию на ЭМ-эффекты.  Затем монтируется плата. Проводятся измерения эксплуатационных качеств законченного  РЧУМа в отношении различных параметров, что необходимо для анализа АЕТ.

ГЛАВА 6

ИЗМЕРЕНИЯ СИГНАЛА ДВУХ НЕСУЩИХ НА AET-СИСТЕМЕ

6.1 Введение

Концепция AET, раскрытая в Главе 4, открывает возможности повышения как линейности, так и эффективности РЧУМа. Повышение эффективности можно исследовать посредством измерений незатухающего колебания. Однако прежде чем исследовать качества линейности РЧУМа, нужно провести начальное измерение эффективности посредством традиционного измерения сигнала двух несущих. Более передовые измерения линейности с использованием сложных модулированных сигналов, т.е. WCDMA-сигналов, будут освещены в Главе 8.

6.2 Предварительные измерения сигнала двух несущих с использованием 10-ваттного GaN-РЧУМа Класса J и 20-ваттного LDMOS-РЧУМа Класса AB

Измерения, проведённые на 10-ваттном GaN-РЧУМе Класса J и 20-ваттном LDMOS-РЧУМе Класса AB, дали такие результаты: коэффициент усиления GaN-РЧУМа значительно менялся при изменении напряжения смещения на стоке. В то же время коэффициент усиления LDMOS-РЧУМа мало зависел от изменений напряжения смещения на стоке. Данное наблюдение было проанализировано в Главе 4, и анализ изменения коэффициента усиления показал, что искажение интермодуляции третьего порядка (IM3) может быть поправлено применением модулируемого сигнала, направленного в канал смещения стока РЧУМа. В данной главе была разработана экспериментальная установка для проведения вычислений сигнала двух несущих. Представлены результаты этих вычислений.


6.2.1 Предварительная экспериментальная AET-установка

10-ваттный GaN-РЧУМ Класса J и 20-ваттный LDMOS-РЧУМе Класса AB проверялись на предварительной установке AET, разработанной для измерения сигнала двух несущих. В предыдущих главах уже  объяснялось, что AET  является производной от системы ET, в которой сигнал напряжения смещения на стоке отслеживается от входного сигнала. В данном экспериментальном измерении, однако, сигнал напряжения смещения на стоке имитируется с помощью третьего сигнала генератора. На этой стадии имитация сигнала напряжения смещения на стоке  позволяет оценить принцип AET, как технологию повышения производительности и линейности. Полностью система AET, включая и детектирование огибающей, будет рассмотрена в главе 8.

Было решено, что рабочая частота сигнала для двух несущих будет 2 ГГц с интервалом в 1 ГГц. Измерительная установка разделена на два канала: канал РЧ и канал огибающей. В РЧ-канале сигнал двух несущих вырабатывается двухсигнальными генераторами, синхронизированными по фазе, и две эти незатухающие волны объединяются и порождают модулированный сигнал.  

Сигнал двух несущих, будучи входным РЧ-сигналом, усиливается возбуждающим усилителем мощности, и это сигнал вызывает возбуждение на входе РЧУМА.

На канале огибающей амплитуда и фаза сигнала огибающей эмулируется генератором третьего сигнала, который также синхронизирован по фазе с другими генераторами. Сигнал огибающей – простая синусоида, которая представляет собой ограниченную по полосе частот версию двухполупериодного выпрямленного сигнала, являющегося огибающей идеального сигнала двух несущих. Другими словами, простой синусоидальный сигнал – это выпрямленный сигнал, в котором устранены гармонические волны. Цель моделирования сигнала огибающей с помощью синусоидального сигнала – рассмотреть воздействие уменьшенного диапазона (bandwidth) на детектор огибающей.

Сымитированный сигнал огибающей усилен заводским стандартным усилителем, который в данной AET-системе  называется усилитель огибающей (УО). Этот усиленный сигнал огибающей затем объединяется с компонентом постоянного тока, при этом используется сепаратор питания.  Скомбинированные (объединенные)  сигнал огибающей и компонент постоянного тока с подведенным питанием  называются AET–сигналом. AET–сигнал подает смещение на РЧУМ, в котором, разумеется, все компоненты, уменьшающие смещение,  должны быть удалены.  


6.2.2 Предварительные результаты измерений

AET-измерения как на нитрид-галлиевом 10-ваттном РЧУМе, так и на 20-ваттном РЧУМе типа LDMOS с использованием сигнала двух несущих сравниваются с измерениями, полученными пи использовании фиксированного (постоянного) электропитания стока. При измерениях на сигнале двух несущих для 10-ваттного нитрид-галлиевого РЧУМа  была развернута   мощность РЧ, и были проведены измерения по результатам взаимной модуляции 3-го порядка и средней выходной мощности.  Нитрид-галлиевый  РЧУМ подвергался измерениям на фиксированном смещении стока в 37 вольт. В AET-измерениях пик напряжения на смещении стока, сумма постоянных и сннусоидальных компонентов были равны 37 вольт. Были отобраны значения для того, чтобы  объективно сравнить результаты измерений  между постоянным электропитанием  стока и модулированным смещением стока. Для РЧУМа типа LDMOS постоянное смещение стока составляло 28 В и пиковое напряжение AET-сигнала также равнялось 28 В.

Была построена диаграмма работы взаимной модуляции 3-го порядка при измерениях постоянного и модулированного смещения стока. Из рис. 6.2 видно, что в работе взаимная модуляция 3-го  порядка нитрид-галлиевого РЧУМа  была меньше -30 дБн при средних выходных мощностях ниже 35  дБм.  «Нулевой» эффект наблюдался при средней выходной мощности в 31 дБм, но при  средней выходной мощности большей, чем 36 дБм, уровень взаимной модуляции 3-го порядка (IM3) возрастал. Функционирование IM3 у нитрид-галлиевого РЧУМа с модулированным электропитанием стока показало, что даже при максимальной средней  выходной мощности уровень IM3 был ниже -30дБн.

На максимуме выходной мощности функционирование IM3 с модулированным электропитанием стока (по сравнению с постоянным электропитанием стока) улучшилось и  стало равным  -33дБн  вместо -22дБн. Наблюдалось улучшение IM3 с 10дБ и до более, чем 20 дБ, при коэффициенте потери мощности (power back off (PBO)) в диапазоне 3дБ, и при значительной потере мощности заметное улучшение по-прежнему очевидно.  Это многообещающий результат для систем  WCDMA и LTE, требующих высокой линейности.

На рис. 6.3 представлена работа IM3 у РЧУМа типа LDMOS, и можно убедиться, как и  ожидалось по измерениям усиления, существенного улучшения IM3 не наблюдалось.  IM3 РЧУМа типа LDMOS для постоянного электропитания стока было меньше -30дБн при средних выходных мощностях ниже   33дБм. При модулированном электропитании стока IM3 этого РЧУМа типа LDMOS слегка выросла для средних выходных мощностей ниже  33дБм и слегка улучшилась для средних выходных мощностей выше  33дБм.

Результаты измерений показывают, что смещение стоковой модуляции (сигнал АЕТ) воздействует на линейность РЧУМа. В описываемых предварительных замерах было невозможно оценить КПД  РЧУМа в системе АЕТ, поскольку использовался «заводской» усилитель огибающей  (УО). Данный УО – усилитель высокого напряжения  с низкой производительностью, потребляющий много энергии. Его можно заменить усилителем с высокой производительностью. Таким образом, в следующем пункте рассматривается конструирование и введение в эксплуатацию интегрированного (объединенного) АЕТ-блока, и исследуется воздействие  стоковой модуляции на линейность и производительность.

6.3 Измерения сигнала двух несущих для системы АЕТ с использованием интегрированного АЕТ-блока

Для большинства стандартных ЕТ-систем сложной задачей является конструирование производительного УО, чтобы в целом улучшить  эффективность ЕТ-системы (системы отслеживания огибающей).  Многие подходы к конструированию УО, описанные в литературе [1-3], достаточно сложны, а вместе с устройством предыскажений, вся сконструированная система может оказаться весьма дорогостоящей.

В главах 2 и 4 была описана АЕТ-система, в которой представлена концепция о разделении компонентов сигнала АЕТ, рождающих переменный и постоянный ток. Эта идея подвела нас к простому, решению в конструировании ЕА и «смесителя», что не требует больших затрат. В этих измерениях сигнала двух несущих «смеситель» - простой пассивный диплексер. Комбинация УО, диплексера и РЧУМа называется интегрированный (объединенный) блок. Проект/ конструкция (design) РЧУМа рассматривалась в главе 5. Следовательно, в этой главе рассматривается проект УО и диплексера.

6.3.1 Проект диплексера

Диплексер – это трехпортовая цепь, в которой сигналы разной частоты могут быть объединены или разделены.  В АЕТ-системе диплексер сконструирован таким образом, чтобы объединять компоненты постоянного и переменного тока сигнала АЕТ, который используется для смещения стокового порта у РЧУМа. Схема данного диплексера состоит из емкостей и индукторов (рис. 6.4). Вокруг порта 1  и 2 находятся два разных фильтра, концы которых присоединены параллельно, образуя выходной порт – порт 3. На рис. 6.4 показаны значения емкости и индуктора, а работающий диплексер показан на рис. 6.4.

По своей конструкции диплексер в качестве фильтра верхних частот позволяет сигналу в 100 кГц и выше  проходить от порта 2 к порту 3, и  в качестве фильтра низких частот – пропускать  постоянный ток (DC) от порта 1 к порту 3.

Диплексер конструируется  на высокочастотном ламинате (слоистом пластике)  RT/Duroid ® 5880 от  Rogers Corporation (от корпорации «Роджерс»). Это тот же высокочастотный ламинат (слоистый пластик), используемый в РЧУМе. Хотя диплексер и работает  в основном диапазоне, высокочастотный ламинат используется для того, чтобы объединить диплексер и РЧУМ в один АЕТ-блок. Произведены измерения работы диплексера, в том числе и  с точки зрения потерь при передаче (рис. 6.6).   Частота пересечения (cross-over frequency) для данного диплексера около 20кГц, вследствие чего этот диплексер хорошо подходит для измерения сигнала двух несущих, поскольку компонент переменного тока сигнала АЕТ имеет частоту в 1 МГц, что гораздо больше частоты пересечения.


6.3.2 Конструирование усилителя огибающей (УО)

УО, как часть АЕТ-блока, сконструирован на основе простой конфигурации истокового повторителя. Подобный тип конфигурации часто используют в качестве буферного усилителя, благодаря низкому выходному импедансу. Транзистор, используемый для усилителя огибающей (УО), является транзистором IRF510, стандартным MOSFET с усилением по мощности n-канала от International Rectifier. Транзистор IRF510 был выбран для проектирования этой конструкции усилителя огибающей (УО), благодаря его способности быстрого переключения и возможности обработки высокочастотного AET-сигнала. У этого транзисторного также есть низкое сопротивление в открытом состоянии, которое может сохранить низкую минимальную потерю мощности. Комбинация низкого сопротивления в открытом состоянии транзистора и конфигурации истокового повторителя усилителя огибающей (УО), способствует низкому выходному импедансу. Таким образом, изменения в нагрузочном сопротивлении не будут воздействовать на подаваемое напряжение. Другой важной причиной  выбора этого транзистора является его низкая стоимость для создания дешевого усилителя огибающей (УО) проектируемой AET системы.

Схематичный истоковый повторитель усилителя огибающей (УО) показан на рисунке 6.7. Большая катушка индуктивности 10uH прямо связана с источником полевого транзистора с каналом n-типа, и небольшое сопротивление значением 5 Ω связано между катушкой индуктивности и общим проводом. Комбинация этих двух пассивных компонентов поддерживает минимальный уровень требуемого постоянного тока (DC), проходящего через транзистор. Требуется самый низкий уровень постоянного тока для обеспечения высокой производительности РЧУМа в AET системе.

Усилитель огибающей выполнен на том же самом высокочастотном слоистом пластике RT/Duroid® 5880. По той же причине этот слоистый пластик используется в диплексере. Сопротивление R1 в 5 Ω на схеме на практике реализуется сопротивлением в  4,7 Ω на панели усилителя огибающей (УО), самое близкое значение для резистора, способного пропускать токи высокого напряжения. На данной конструкцией усилителя огибающей (УО) (рис. 6.8),  были проведены измерения в отношении малого сигнального усиления, S21. Результат представлен на рисунке 6.9. Результат S21 был нормализован: несогласующееся сопротивление между портами VNA и входными и выходными портами УО. Рабочие характеристики усилителя огибающей (УО) в отношении S21  перспективны в диапазоне 100 кГц - 10 МГц. Обратите внимание, что и ширина  полосы двух несущих в 1 МГц и ширина полосы для частот модулирующего сигнала WCDMA, равная приблизительно 5 МГц, лежит в пределах измеренного частотного диапазона проектируемого усилителя огибающей (УО), и таким образом данный УО соответствует измерениям сигнала двух несущих и WCDMA.

6.3.3 Создание интегрированного AET-блока

РЧУМ, диплексер и блоки усилителя огибающей (УО) соединяются друг с другом и становятся интегрированным AET-блоком для измерений сигнала двух несущих.  Интегрированный AET-блок присоединен к теплопоглотителю, и некоторые соединения микрополосковых линий установлены между усилителем огибающей (УО) и диплексером, а также между диплексером и РЧУМом. Интегрированный  AET блок показан на рисунке 6.10.

6.4 Результат измерения сигнала двух несущих и анализ

Была разработана новая экспериментальная AET-установка (см. рис. 6.11). Эту новую AET-установку отличает от предварительной установки наличие интегрированного AET-блока. Принцип работы примерно тот же, что и у предварительной установки. Рабочая частота для измерений на 25-ваттном нитрид-галлиевом  РЧУМе класса AB была выбрана 1.98ГГц с интервалом в 1 МГц. На канале огибающей эмулированный сигнал огибающей -  это вход к одному порту сепаратора питания. Сигнал постоянного тока (DC) – это вход к другому порту сепаратора питания, чтобы включить полевой транзистор с каналом n-типа. Этот сигнал постоянного тока вызывает смещение, и транзистор  приходит в насыщение, выступая таким образом в качестве источника напряжения. Выход этого усилителя огибающей (УО) затем объединяется с компонентом постоянного тока через диплексер. В результате AET-сигнал вызывает смещение на стоковом порте РЧУМа.

6.4.1 AET-сигнал

AET-сигнал - важная часть AET-системы. Это - отслеживающий сигнал, который вызывает смещение на порте стока РЧУМа и состоит из компонентов постоянного и переменного тока. Компонент переменного тока AET-сигнала является в идеале точной копией радиочастотного входного сигнала огибающей. В отличие от сигнала полного отслеживания в рамках системы огибающей, удаления и восстановления (EER), в AET-системе  AET отслеживающий сигнал не будет следить за входным сигналом от 0V DC. AET-сигнал только проследит за частью полного отслеживающего сигнала. Например, если полный сигнал EER будет от 0V до 28V, то, AET-сигнал только проследит в промежутке от 18V до 28V, что означает 10-вольтный диапазон прослеживания двойной амплитуды. Обратите внимание, что во время измерения напряжение прослеживания AET сигнала изменяется и оптимизируется в зависимости от уровня мощности. Более того, другим преимуществом AET-метода  является  то, что ширина полосы частот AET-сигнала не нуждается в отслеживании  целой ширины полосы сигнала огибающей, чтобы улучшить рабочие характеристики РЧУМа.

Во время измерения AET-системы относительно входного сигнала двух несущих все три компонента интегрированного AET-блока  были связаны между собой на установке  (см. рис. 6.11). AET-сигнал в порту стока РЧУМа (Канал B) и сигнал огибающей, обнаруженный во входе РЧУМа (Канал A), наблюдались на осциллографе (рис. 6.12).  Фаза AET-сигнала отрегулирована так, чтобы AET-сигнал был согласован с сигналом огибающей. Это выравнивание (согласование) необходимо, чтобы достигнуть симметрии между верхней границей и нижней границей взаимной модуляции третьего порядка (IM3) и между верхней границей и нижней границей взаимной модуляции пятого порядка (IM5).

6.4.2 Рабочие характеристики линейности

В этом разделе были оценены рабочие характеристики линейности AET-системы путем измерений IM3 и IM5 у РЧУМа. Эти измерения  сравнивались с измерениями, полученными на РЧУМе со смещением напряжения на фиксированном стоке в 28В относительно регулярного сигнала двух несущих. Следует также обратить внимание, что рассеивание тепла будет намного ниже в случае с AET из-за редко возникающего пикового АЕТ-сигнала, который зависит от отношения пиковой мощности к средней (PAR) сигнала огибающей. Это повышает возможность использовать гораздо более высокого пика AET-напряжения, чем было бы допустимо с фиксированным питанием.

На рис. 6.13 в большинстве случаев при измерениях мощностей видно улучшение рабочих характеристик IM3 в рамках AET-системы по сравнению с рабочими характеристиками IM3 при напряжении фиксированного стока. Стоит учесть, наблюдается небольшое улучшение относительно средней выходной мощности, равной приблизительно 32дБм,  и весьма заметное улучшение при более высоких уровнях мощности, то есть, улучшение на приблизительно 12-18 децибелов в пределах диапазона  выше 3dB PBO. Рабочие характеристики IM3 на средней выходной мощности меньше, чем 32 дБм, не фиксируются, так как большинство РЧУМов функционируют при высоких мощностях,  чтобы достигнуть более высокой производительности и максимальной выходной мощности.

Результат работы  IM3, показанный на рис. 6.13, обосновывает оказание влияния переменного стокового напряжения на линейность, что было теоретически рассмотрено  в главе 4. Этот результат также подтверждает улучшение линейности на примере отдельных измерений, выполненных на уровне устройства путем эмулирования импедансов полосы модулирующих частот на конце стока.

Были также измерены эксплуатационные качества IM5, и результат показан  на рисунке 6.14, из которого видно, что  IM5 в AET-системе демонстрирует существенное улучшение по сравнению с IM5 в фиксированном напряжении стока в диапазоне средней выходной мощности между 35 дБм и 39 дБм. Хотя рабочие характеристики IM5 не показывают улучшения на средних выходных мощностях со значениями выше  39дБм и ниже чем 35дБм, в целом эксплуатационные характеристики  IM5 в рамках АЕТ-системы остаются низкими по сравнению с РЧУМом, функционирующим в фиксированном смещении. Так как результаты IM5 относительно невелики, любые влияния  на РЧУМ могут быть нивелированы за счет  использования фильтра,  поскольку частоты IM5 находятся на достаточном расстоянии от диапазона рабочих частот.

6.4.3 Рабочие характеристики производительности

КПД  стока РЧУМа с использованием AET-системы сравнивается с рабочими характеристиками КПД стока РЧУМа в фиксированном смещении стока. Сравнение проводилось в тех же самых условиях смещения как измерения линейности.  КПД стока AET-системы и фиксированное смещение стока показаны на рисунке 6.15.

Из этого рисунка видно, что КПД стока AEТ-системы демонстрирует небольшое улучшение  (увеличение на 2-3%) по сравнению с с КПД стока фиксированного смещения стока в пределах измеряемых мощностей. Однако, КПД стока AET-системы ниже, при максимальной средней мощности около 41дБм. Предположительно, это уменьшение в производительности является результатом увеличения потребляемой мощности усилителя огибающей (УО) при более высоких мощностях. Так как у усилителя огибающей (УО) есть конфигурация истокового повторителя, которая функционирует в режиме Class A, он потребляет более высокую мощность по сравнению с усилителем класса В. Следовательно, более высокий КПД усилителя огибающей (УО) может улучшить производительность AET-системы  в будущем.

Обратите внимание, что при расчете производительности стока в AET-системе полностью учитываются количество потребляемой мощности РЧУМом и усилителем огибающей (УО).  Для вычисления КПД стока  только в фиксированном смещении стока учитывается лишь потребляемая мощность РЧУМом.

6.5 Резюме главы

В этой главе представлены измерения сигнала двух несущих с использованием AEТ-системы. Описаны конструкция диплексера и усилителя огибающей (УО). Дано определение AET-сигналу, вызывающему смещение на РЧУМе и проведены измерения линейности РЧУМа и производительности AET-системы. Измерения AET сравниваются с работой фиксированного стока.  Улучшение в искажении  IM3 наблюдалось в промежутке между 10 дБ и 18 дБ в диапазоне мощности в 10 дБ, при этом фиксировалось улучшение на отметке 18 дБ на самом высоком уровне мощности. Измеренный КПД стока показывает рост на 7,5% при коэффициенте потери мощности в 3 дБ и в целом демонстрирует небольшое улучшение в пределах почти всего диапазона мощности, внутри которого проводились измерения. Было достигнуто существенное улучшение линейности с минимальным влиянием на общую производительность системы, даже в тех случаях, когда полностью принималось во внимание потребление мощности усилителем огибающей (УО). В действительности, в пределах почти всего диапазона мощности  наблюдается улучшение линейности и производительности.   
ГЛАВА 7

Радиочастотный (RF) широкополосный трансформатор (преобразователь),  разработанный для AET-систем

7.1 Модуляционный трансформатор для отслеживающего генератора AET системы. 

7.1.1 Актуальность и краткий обзор

У модуляционных сигналов типа WCDMA  и  OFDM высокий пик-фактор (PAR)  и широкая полоса пропускания.  Такие свойства сигнала представляют собой большую проблему при условии ET системы, требующей разработки широкополосного и высокоскоростного трекинг-генератора (или отслеживающего генератора). Некоторые проекты следящего трекинг-генератора для ET систем описаны в литературе [1 - 3] включают переключение, считывание и подходы обратной связи.

Такой подход,  однако, увеличивает эффект переключения переходных процессов и разработки их переключения, и считывание электрической схемы становится более сложным. Кроме того, стоимость широкополосного и высокоскоростного переключающего генератора может быть дорогостоящей, который означает, что его выполнение не рентабельно.

С использованием AET системы, мы предлагаем упрощенный дизайн трекинг-генератора и рентабельное выполнение, обеспечивая широкую полосу пропускания сигнала и увеличение полной системной эффективности (КПД). Для двойного несущего сигнала, измеренного в Главе 6, AET трекинг-генератор состоящий из диплексора (антенного разделительного фильтра) и пакет усилителя (ПУ). AET Трекинга-генератор в этих двух измерениях несущего сигнала, использует методику анодной модуляции дросселем. В установке измерения WCDMA, однако, AET трекинг-генератор проектируется методом модуляции трансформатора, который использует широкополосную трансформацию (передачу) радиочастоты (RF). Диплексор (антенный разделительный фильтр), выполненный с двумя несущими устройствами, больше не может заполнить всю ширину полосы частот сигнала, затребованным сигналом CDMA-пакета. Дизайн (проектирование, разработка) широкополосного трансформатора RF (радиочастоты) в новой установке способен к трекингу (прослеживанию) широкой полосы пропускания сигнала WCDMA, чтобы снабдить AET трекинг сигнала для RFPA.

7.1.2 Методика Анодной модуляции дросселем

Как ранее описано в Главе 4, концепция AET должна разделять переменную составляющую сигнала с постоянной состовляющей, чтобы улучшить общий КПД системы. Поэтому, в нашем первом AET испытательной установки, используя два измерения несущего сигнала, мы проектировали AET трекинг-генератор, используя подход анодной модуляции дросселем. Как показано на рисунке 7.1, AET генератор состоит из диплексора (антенного разделительного фильтра) и ЕА.

Катушка индуктивности RF - часть диплексора (антенного разделительного фильтра), и его функция должна представить высокое сопротивление, чтобы предотвратить затухание RF или IF-сигнала от прохождения питающего напряжения (DC). Блокировочный конденсатор DC, представленный здесь между штуцером RF и EA, останавливают сигнал DC от прохождения через EA. AC часть трекинга сигнала представлена EA, которая позже объединится с частью DC сигнала трекинга, поступающего от DC в точке X. Комбинацию этих двух сигналов называют AET сигналом, и смещает входной сигнал RFPA.

Даже при том, что высококачественный сигнал трекинга получен, используя этот подход для измерений с двумя несущими (устройствами), возникают две проблемы, осуществляя тот же самый подход для приложения WCDMA. Первая проблема - ширина полосы частот и PAR сигнала. Для измерений с двумя несущими устройствами, рассмотренных в Главе 6, ширина полосы частот сигнала составляет 1 МГц, и PAR составляет 3 децибела. Однако, ширина полосы частот и PAR из WCDMA сигнала более требовательны по сравнению с двумя несущими сигналами. Сигнальная ширина полосы частот WCDMA составляет приблизительно 5 МГц, и PAR может достигать 10dB. Поэтому конструирование диплексора  может быть более проблематичным, поскольку требуется более высокий штуцер индуктивности. Новый 'внутренний' дизайн катушки индуктивности необходим, чтобы заполнить требуемую ширину полосы частот.

Вторая проблема - эффективность усилителя огибающей (УО), который должен быть включен в полное вычисление эффективности стока РЧУМа. Усилитель огибающей (УО) был разработан, используя конфигурацию истокового повторителя, которая была обсуждена в Главе 6. Чтобы  усилителю огибающей (УО) обеспечить по крайней мере, 10V трекинг напряжения, потребление мощности DC может значительно возрасти.. Поэтому, так как у нашего подхода должна быть упрощенная и эффективная стоимость конструкции усилителя огибающей, вместо того, чтобы перепроектировать усилитель, мы разрабатывали методику модуляции трансформатора, которая будет включена (встроена) в AET конструкцию генератора трекинга. Это привело к двум проблемам, которые были идентифицированы для измерений критерия WCDMA.

7.1.3 Методика Модуляции трансформатора

На подходе модуляции трансформатора широкополосный трансформатор RF разработан, чтобы заменить антенный разделительный фильтр. Трансформатор - очень простое и универсальное устройство со многими преимуществами. Кроме главной способности преобразовывать между разными уровнями напряжения и тока в схемах AC, у трансформатора также есть электрическая изоляция между схемами первичной и вторичной обмотки. Эта электрическая изоляция важна в AET системе, чтобы гарантировать, что электрическую схему усилителя огибающей (УО) не затрагивают никакие изменения в сопротивлении полосы модулирующих частот, рассматриваемом от РЧУМа.

Как показано на рисунке 7.2, часть AC AET отслеживающий сигнал снабжен тем же самым усилителем огибающей (УО), используемым для измерения с 2 несущими устройствами, и это комбинировано с частью DC отслеживающего сигнала в точке X. Сигнал AC от усилителя огибающей (УО) перенесен от первичной обмотки трансформатора к вторичной обмотке взаимной электромагнитной индукцией. Это также разработано, чтобы иметь коэффициент трансформации напряжения 1:2. В этом случае, если 10V отслеживающий сигнал требуется в точке X, то усилитель огибающей (УО) только должен генерировать 5V сигнал огибающей WCDMA. Поэтому требование отслеживающего сигнала усилителя огибающей (УО) ослаблено с помощью этих преобразований напряжения трансформатора. Эти преобразования напряжения достигнуты, пока и первичные и вторичные обмотки электрически изолированы.

7.2 Конструкция трансформатора для AET Операции

Эта исследовательская работа частично мотивирована от отсутствия емкости данных в сети мобильной связи. Хотя коммуникационная промышленность увеличивает емкость данных их сети, есть другая проблема относительно распространения сигналов на сетях макроячейки. Как рабочая частота сигнальных увеличений, длина волны уменьшается и поэтому, увеличения затухания сигнала сети макроячейки. Чтобы решить эту задачу, коммуникационная отрасль теперь смотрит на более малые базовые станции в микро или nano сети ячейки как решение. Для малой базовой станции все элементарные звенья, такие как РЧУМ также обязаны быть малыми в расходе малой мощности и размере. Поэтому, широкополосный трансформатор RF в AET системе должен также быть малым в размере, будучи полезным в частотах RF и наличии широкой полосы пропускания. Чтобы выполнить эти требования, малое тороидальное ядро выбрано. Чтобы приспособить более широкую ширину полосы частот коммуникационного сигнала WCDMA, был выбран материал ферритового сердечника.

7.2.1 Тороидальное Ядро

Есть несколько типов сердечника трансформатора, а именно, расщепленных стальных ядер, твердых ядер, тороидальных ядер и проветривают ядра. Для этого широкополосного трансформатора RF для приложения WCDMA мы выбрали тороидальное ядро. Тороидальное ядро - кольцевое ядро, у которого обычно есть площадь или прямоугольный поперечный разрез. Примеры тороидальных трансформаторов с сердечником показывают на рисунке 7.3.

Первое преимущество использования этого тороидального ядра для широкополосного трансформатора RF является своей эффективностью по сравнению с трансформаторами, используя другие типы ядер. Обмотки на тороидальном ядре обычно обертываются равномерно и плотно без воздушного зазора так, чтобы магнитный поток произошел только в пределах проветриваний. Эта вьющаяся ориентация таким образом создает высокую магнитную индукцию и восстанавливает любую утечку потока и таким образом может быть достигнут высокий электрический к.п.д. Общий КПД этого тороидального трансформатора обычно - приблизительно 90 - 95 %.

Во-вторых, этот тороидальный трансформатор делает меньше шумового и механического гула из магнитострикции во время его действия из-за однородного распространения его проветриваний. Когда этот тороидальный трансформатор туго натянут, поля рассеяния от воздушного зазора могут также отщепиться. Другое важное преимущество от использования тороидального ядра для этого широкополосного трансформатора RF является небольшой размер, который минимизирует требуемое пространство в полной системе. Этот тороидальный трансформатор может быть установлен легко при использовании только одного центрального шнека, и поэтому время сборки ускорено и количество деталей, требуемых для установки, что технических средств понижены.

7.2.2 Обмотка Trifilar

В широкополосном трансформаторе RF тороидальное ядро - катушка с обмоткой trifilar. Вьющиеся составы Trifilar трех близко расположенных параллельных проводов, у которых есть три различных цвета, как показано на рисунке 7.4. Когда обмотка устроена так, чтобы электрические токи в том же самом параллельном направлении, разность потенциалов была увеличена. С другой стороны, когда обмотка устроена так, чтобы магнитное поле, созданное в одной обмотке, было в противоположном направлении к магнитному полю, созданному в другой обмотке, магнитные поля отменяют.

Этот тороидальный трансформатор с обмоткой trifilar может использоваться в качестве уравновешенного сигнального делителя, когда метчик центра (между точкой 2a и точкой 1b) связан с основанием. Однако, в нашем приложении, мы соединяем точку 2a и точку 1b вместе, поэтому; мы достигнем шага вверх или понизим преобразования в зависимости от соединения трансформатора к целой системе.

7.2.3 Ферритовый сердечник и его эффект на ширину полосы пропускания частот

Тороидальное ядро может быть сделано из материалов, таких как железо или феррит. Так как у феррита есть более высокая проницаемость, он в состоянии снабдить более широкую ширину полосы частот. Поэтому, железистокислое тороидальное ядро выбрано для конструкции широкополосного трансформатора RF для приложений WCDMA.

Что касается Приложения 3, низкая предельная частота определена нагрузочным сопротивлением, RLOAD, входным сопротивлением, RIN и также индуктивностью шунта, LE. Эта индуктивность шунта, LE, является представлением любого нелинейного эффекта, следующего из намагничивания текущего генерирования потока в первичной обмотке. Поэтому, эта индуктивность шунта, LE, под влиянием проницаемости ферритового сердечника, номера поворотов в первичной обмотке и геометрии ферритового сердечника. Выше проницаемость ферритового сердечника и номер поворотов в первичной обмотке, большее значение индуктивности шунта. От уравнения (9) в Приложении A, можно заметить, что индуктивность шунта, LE является обратно пропорциональным к низкой предельной частоте. Таким образом, чем выше значение проницаемости ядра, тем ниже критическая частота операции, которая в свою очередь увеличивает ширину полосы частот трансформатора.

От уравнения (10) в Приложении A, высокая предельная частота определена индуктивностью рассеяния, LL и распределенной емкостью, компакт-диском. Как упомянуто ранее, индуктивность рассеяния - сбор к некоторой потере в потоке в первичной обмотке и не связана со вторичной обмоткой. Тем временем распределенная емкость представляет паразитную емкость катушки, которая создана из любого малого интервала, который неумышленно создан между ядром и основанием. Эти два элемента под влиянием номера поворотов и геометрии катушки, которая, как может также примерно оцениваться, является членом пропорции к объему катушки. Следовательно, чем выше объем катушки, тем выше значения этих двух элементов. Эффект этого должен понизить высокую частоту среза и восстановить ширину полосы частот трансформатора.

7.3 Измерения трансформатора, результаты и обсуждение

Чтобы исследовать лучшие рабочие характеристики широкополосного трансформатора RF, насыщение ферритового сердечника, потеря возвращения передачи и измерения потерь при передаче были сделаны. В этом экспериментальном исследовании, трех различных типах ферритового сердечника, три различных номера включают основные проветривания, и два различных основных конфигураций были проверены, чтобы найти самую соответствующую конструкцию для AET система.

7.3.1 Сравнение Рабочих характеристик Широкополосного трансформатора RF с точки зрения Материала с ферритовым сердечником и числа включаемых обмоток

Все тороидальные сердечники, используемые в этих измерениях, были изготовлены из феррита. Феррит - керамический материал, который создан через химическую реакцию металлического оксида с некоторым типом магнитного материала. Два типа ферритового сердечника, выбранного для этого испытания, были материалом 78 и материалом 43. Материал 78 сделан из химического состава оксида железа (Fe2O3), оксид марганца (MnO) и окись цинка (ZnO), что мы назвали феррит MnZn. Материал 43 сделан из химического состава оксида железа (Fe2O3), окись никеля (NiO) и окись цинка (ZnO), что мы назвали феррит NiZn. У материала 78 есть начальная проницаемость 2300Hm-1, в то время как у материала 43 есть начальная проницаемость 800Hm-1.

Чтобы проверить эти материалы на использование в широкополосном трансформаторе RF, 7cm3, тороидальные ядра от этих двух материалов сравнены. У них 7cm3 тороидальные ядра есть 35.5-миллиметровый наружный диаметр, 23-миллиметровый внутренний диаметр и 12.7-миллиметровая толщина. Эти габариты разъяснены на рисунке 7.5.

Каждое из этих тороидальных ядер - рана с trifilar эмалируемая медная проволока. Так как мы также исследуем эффект номера поворотов в каждой обмотке на рабочих характеристиках трансформатора RF, различные номера были проверены. Номера раны поворотов на первичной обмотке были 8, 16 и 32. Поэтому, чтобы сохранить 1:2 коэффициент трансформации, было 16, 32 и 64 включает вторичную обмотку соответственно. Все эти трансформаторы показывают на рисунке 7.7.

От измерения S21 могут быть изображены рабочие характеристики трансформатора RF с точки зрения уменьшения коэффициента передачи, и ширина полосы частот трансформатора может быть измерена. Установку измерения S21 показывают на рисунке 7.6.

В установке измерения S21 первичная обмотка имеет 15Ω сопротивление шунта между трансформатором и Отверстием 2 из VNA. Идеально, для 1:4 трансформатор отношения сопротивления, сопротивление в первичной обмотке - 12.5 Ω, и сопротивление во вторичной обмотке - 50 Ω. Так как оба отверстия VNA - 50 завершенные Ω, 15 Ω значение сопротивления вне полки, выбранное, чтобы дать следующее эффективное сопротивление, которое является самым близким к 12.5 Ω. Заметьте, что эффективное сопротивление 15 Ω и 50 Ω в параллель - приблизительно 11.5 Ω, который является самым близким к экспериментальному эффективному сопротивлению 12.5 Ω. В этом измерении амплитуда рабочей частоты была между 10 кГц и 20 МГц. От измерения S21, частотная характеристика, что выходы уменьшение коэффициента передачи трансформатора изображены. Частотная характеристика материала 43 и 78 трансформаторов для 8, 16 и 32 вьющихся поворота показывают на рисунке 7.8, 7.9 и 7.10 соответственно. Для 8 поворотов ширины полосы на 3 децибела для этих двух трансформаторов были приблизительно от 40 кГц до 11.24 МГц для материала 43 и от ниже 10 кГц к 11.96 МГц для материала 78. У материала 78 есть более высокая проницаемость, и следовательно более низкая предельная частота. Заметьте, что самая низкая частота измерения VNA составляет 10 кГц. От этих графиков мы можем наблюдать, что ширина полосы частот на 3 децибела материала 78 трансформаторов немного более широка чем материал 43 ширины полосы частот. Мы можем также наблюдать от этих графиков, что у трансформатора с наименьшим количеством номера поворотов, в этом случае 8, есть самая широкая ширина полосы частот по сравнению с другими трансформаторами.

Таблица 7.1: вносимые потери в 3dB пропускной точки трансформаторов для различных материалов сердечника и различных числа витков первичной обмотки.

7.3.2 Сравнение размера для Рабочих характеристик Широкополосного трансформатора RF

Мы видели эффект проницаемости материалов по рабочим характеристикам трансформаторов. Мы также видели значительный эффект, что номер обмотки поворотов имеет на рабочих характеристиках трансформатора, в особенности ширина полосы частот. В этом сечении мы рассмотрели два различных основных размера геометрии, чтобы оценить эффект на трансформаторе. Оба трансформатора имеют 8 вьющихся поворотов и сделаны из материала 43. Первая геометрия сердечника трансформатора имеет 7cm3 эффективный основной объем с 35.5-миллиметровым наружным диаметром, 23-миллиметровым внутренним диаметром и 12.7-миллиметровой толщиной. Вторая геометрия сердечника трансформатора имеет 2.36cm3 эффективный основной объем с 21.0-миллиметровым наружным диаметром, 13.2 внутренними диаметрами и 11.9-миллиметровой толщиной.

От частотной характеристики, показанной на рисунке 7.12, это может наблюдаться, что, когда размер трансформатора уменьшен, высокая предельная частота немного увеличена для того же самого материала и номера поворотов. Это - то, потому что как размер основных уменьшений, паразитной емкости и индуктивности рассеяния, объясненной в сечении 7.2.3, уменьшается. Резюме ширины полосы частот на 3 децибела трансформаторов показывают в Таблице 7.2.

7.3.3 Критерий Насыщения Ферритового сердечника

Критерий насыщения ферритового сердечника выполнен, чтобы гарантировать, что предел насыщения ферритового сердечника не достигнут во время операции трансформатора в AET системное измерение. Так как магнитный сердечник, используемый для этого трансформатора, является ферромагнитным материалом, есть предел насыщения, который будет наблюдаться. Предупредительные шаги должны быть сделаны, чтобы избежать насыщения в ядре, когда сигнал применен к трансформатору. Если основное насыщение будет достигнуто, то наведенный сигнал напряжения во вторичной обмотке больше не будет линеен, но будет деформирован. Это - нежелательный, поскольку он прибавит нелинейность к AET сигнал. Температура трансформатора может также увеличиться, когда ядро насыщено и следовательно могло заставить устройство или электрическую схему становиться бездействующими.

Чтобы понять основную причину позади критерия, важно понять магнитные ограничения сердечника трансформатора. Поэтому, мы должны понять зависимость между примененным током, я, вызванный магнитный поток, B и следовавшим магнитным полем, H. Зависимость тогда определит параметры схемы, такие как индуктивность и сопротивление.

Индуктивность определена как мгновенное отношение полного потокосцепления к примененному току. Эта индуктивность - также член пропорции к проницаемости, μ магнитного сердечника. Соотношение индуктивности, проницаемости и намагничивания может поясняться кривой намагничивания, показанной на рисунке 7.13. Эта кривая намагничивания выходы нелинейная зависимость между магнитным потоком, B и магнитным полем, H. Градиент этой кривой определен как проницаемость, μ ядра уравнением (7.1) ниже;

В низкой частоте уравнение (7.1) является скаляром, но в высокой частоте, уравнение становится комплексным соединением. Из рисунка 7.13 мы можем видеть, что градиент уменьшается, когда магнитное поле увеличено. Как упомянуто ранее, индуктивность, L, является членом пропорции к проницаемости, μ, поэтому, индуктивность обмотки трансформатора уменьшится под большими сигнальными условиями. От эквивалентной схемы, показанной на рисунке 2 (в Приложении A), индуктивность, на которую затрагивает ядро, представлена индуктивностью шунта, LE. Что касается иллюстрации 2, пустите I1 представлять ток, текущий в первичной обмотке, у которой есть зависимость как в уравнении (7.2) ниже;

Когда мы интегрируем уравнение (7.2) и предполагаем, что приложенное напряжение - синусоидальный сигнал, ток первичной обмотки, i1 является тогда составной формой уравнения (7.3);

Заметьте, что индуктивность - также функция мгновенного тока. От уравнения (7.3) и рисунка 7.13, это показывают, когда ток в первичной обмотке становится очень большим, уровень насыщения достигнут. Наклон кривой намагничивания становится очень малым, который означает, что проницаемость спадает очень низкая стоимость и так делает индуктивность первичной обмотки L1. Это означает, что сопротивление первичной обмотки также уменьшается в основном.

Как упомянуто ранее, уравнение (7.1) становится комплексным соединением в более высоких частотах. Поэтому, основное насыщение не только под влиянием сигнала, к которому относятся трансформатор, но также и частотой операции. Следовательно, на основном критерии насыщения, мы наблюдаем, есть ли какое-либо изменение в потере возвращения (S11) по указанному частотному диапазону. Основную установку критерия насыщения показывают на рисунке 7.14.

Для AET генератора трекинга трансформатор будет связан с Классом РЧУМ AB. Максимальный ток DC, требуемый смещать отверстие стока РЧУМа, приблизительно 1A. Поэтому, на этом критерии, ток DC, который снабжен первичной обмоткой, тралится от 0 до 1A. Так как VNA представляют 50Ω, завершение и трансформатор имеют 1:4 преобразования сопротивления, 12 Ω сопротивлений шунта должны быть размещены между первичной обмоткой и единицей источника питания DC. Частотный диапазон, выбранный для этого измерения, был между 10 кГц и 20 МГц.

Поскольку мы увеличиваем ток DC от 0A до 1A, нет никаких изменений, наблюдаемых в кривых S11, показанных на рисунке 7.15 и 7.16, измерены на трансформаторах материала 43 и материала 78 соответственно.

 

7.3.4 Резюме Рабочих характеристик Широкополосного трансформатора RF

В результате измерений на трансформаторах выбранном трансформаторе для AET система была трансформатором, сделанным из материала 43 с 8 вьющимися поворотами, и имеет более малую полезную площадь поперечного сечения. Кроме преимущества размера трансформатора на ширине полосы частот, это оставляет свободное место на электрической схеме на финале AET системное расположение. Материал 43, материал феррита NiZn, также рекомендуется для сбора широкополосных трансформаторов высокой частоты его свойствам материала. Заметьте, что, однако, от результатов измерения на сравнении между материалом 43 и материалом 78, материал у 78 трансформаторов есть немного более высокая предельная частота высокого уровня. Рекомендуется, чтобы тот же самый более малый основной трансформатор размера, сделанный из материала 78, был измерен в будущем, чтобы достигнуть более высокой ширины полосы частот. Так как ширина полосы частот сигнала WCDMA составляет приблизительно 5 МГц, малый размерный материал, 43 трансформатора с 8 вьющимися поворотами, у которых есть ширина полосы частот приблизительно от 10 кГц до 12 МГц, являются соответствующими для AET система, разработанная для приложений WCDMA.

Как объяснено в сечении 7.2.3, предельная частота высокого уровня трансформатора под влиянием утечки индуктивности и паразитной емкости. Поэтому, чем более малый размер ядра и ниже номер поворотов, тем ниже индуктивность рассеяния и паразитная емкость, которая приводит к более высокой предельной частоте высокого уровня. Для низкой предельной частоты трансформатора эффект более высокой проницаемости может только наблюдаться от сравнения между трансформатором 8 вьющихся поворотов для материалов 43 и 78. Низкие предельные частоты трансформаторов с 16 и 32 вьющимися поворотами слишком низки, чтобы быть измеренными на VNA, у которого есть частотный диапазон, начинающийся в 10 кГц.

7.4 Интегрированный AET Сопровождающий Блок

AET генератор трекинга для приложений WCDMA, который использует методику модуляции трансформатора, которая была обсуждена в этой главе, составах широкополосного трансформатора RF и усилителя огибающей. Осуществленный AET генератор связан с РЧУМом как показано на рисунке 7.17. Конфигурацию трансформатора RF, усилителя огибающей и РЧУМа, который мы называем Интегрированный AET Блоком, показывают на рисунке 7.18.

7.5 Резюме главы

Широкополосный трансформатор RF, используемый в AET генераторе трекинга, был разработан и обсужден в этой главе. Выбранный широкополосный трансформатор RF для приложения WCDMA сделан из материала 43, и у тороидального используемого ядра есть эффективный основной объем 2.36cm3. Номер обмотки поворотов 8. Выбор материала, номер поворотов и размер широкополосного трансформатора RF были исследованы в этой главе. Усилитель огибающей в интегрированном AET генератор является тем же самым усилителем огибающей, используемым для измерений с двумя несущими сигналами; конструкция которого была обсуждена подробно в Главе 6. Комбинацию широкополосного трансформатора RF, усилителя огибающей и РЧУМа называют, Интегрированные AET блокируют. Измерение этого AET блокирует использование, сигналы WCDMA будут описаны и обсуждены в Главе 8.

Глава 8

Измерения сигнала широкополосного многоканального доступа с кодовым разделением каналов (WCDMA) в системе вспомогательного отслеживания огибающей (AET)

8.1 Усовершенствование измерений сигнала WCDMA в системе AET

8.1.1 Актуальность и обзор

Разработанная технология AET была протестирована, используя измерение синусоидального сигнала в главе [1], где представлены результаты с точки зрения эффективности и линейности. В главе [1] было выявлено что, применение AET сигнала при смещении стока, улучшило производительность линейности РЧУМ  с точки зрения интермодуляции третьего порядка по сравнению с работой смещения на стоке  постоянного напряжения. Это достигается вследствие некоторого улучшения  эффективности РЧУМ на стоке в большинстве измеряемых мощностях. Измерением синусоидального сигнала было выявлено то, что технология AET имеет потенциал повышения эффективности и линейности РЧУМ. В связи с существованием в системе мобильной связи таких технологий, как технология широкополосного  доступа с кодовым разделением каналов (WCDMA) и усовершенствованная передача данных для глобального развития (EDGE), а также появляющаяся технология долгосрочного развития (LTE), стало возможным измерение технологии AET, используя более сложные модулированные сигналы, где будет исследована практическая производительность линейности и эффективности. В этой работе сигнал WCDMA был выбран в качестве модулированного сигнала, чтобы протестировать данную технологию AET.

8.1.2 Генерирование Сигнала WCDMA

WCDMA - третье поколение (3G) стандарта беспроводной связи, который использует дуплексный режим с частотным разделением (FDD). Для WCDMA сигнал распространен по диапазону рабочих частот на 5 МГц, используя квадратурную фазовую манипуляцию (QPSK). В данном проекте используемый сигнал WCDMA является стандартно-совместимым тестовым сигналом общего протокола реализации пакетной передачи GPP WCDMA, созданным при использовании сигнала Agilent N700B Studio. Несущая частота сигнала WCDMA в 1.98 ГГц с отношением пиковой и средней мощностей 9.17 дБ была загружена на сигнальный генератор Agilent PSG E8267D. Интегральная функция распределения уровней сигнала (CCDF) этого сигнала показана на рисунке 8.1, а сигнальный спектр показан на рисунке 8.2. Из  данного спектра WCDMA мы видим, что диапазон рабочих частот сигнала WCDMA составляет 5 МГц. Максимальная средняя выходная мощность, которая может быть линейно сгенерирована данным PSG - 25дБм. Отношение пиковой и средней мощностей сигнала WCDMA составляет 9.17 дБ, поэтому, чтобы поддержать линейность системы AET , максимальная средняя выходная мощность, которая будет сгенерирована, была установлена до 15дБм так, чтобы максимальный выходной сигнал 24.17дБм мог быть сгенерирован. Динамический диапазон PSG был принят во внимание во избежание любого дополнительного искажения, включаемого в заключительное измерение линейности РЧУМ.

Для данного измерения сигнала WCDMA также берется во внимание спектр группового сигнала. Важно измерять групповой сигнал, поскольку отслеживающий сигнал AET исходит из огибающей  сигнала радиочастоты. Соответствующий выбор детектора огибающей и дизайна путевого генератора зависят от ширины полосы частот группового сигнала. Из  рисунка 8.3 и 8.4 видно, что  групповой  сигнал данного WCDMA имеет диапазон рабочих частот приблизительно 3 МГц и что большая часть этого группового сигнала находится между постоянной составляющей тока и частотой 500 кГц.

              

8.1.3 Обнаружение огибающей сигнала WCDMA

Важное понимание технологии AET заключается в том, что РЧУМ нужно смещать при помощи модулированной огибающей радиосигнала в его проходном канале. В системе удаления и восстановления огибающей (EER) сигнал смещения стока должен отследить весь диапазон рабочих частот модулированной огибающей радиосигнала. Однако в технологии AET отслеживающий сигнал имеет смягченное требование к отслеживаемой ширине полосы частот. Так как диапазон рабочих частот WCDMA группового сигнала варьируется между постоянной составляющей тока и 3 МГц, то необходимо выбрать подходящий детектор огибающей. Существует много детекторов, которые были протестированы для данной прикладной программы, а именно; детектор мощности AD8361 Tru от Analog Devices, детектор Marconi, а также детектор HP, как показано на рисунке 8.5. Детектор AD8361 - детектор мощности среднего реагирования, который работает до 2.5 ГГц. Детектор Marconi - широкополосный датчик, который может обнаружить сигналы от 50 МГц до 12.4 ГГц, в то время как детектор HP - отрицательный детектор, который работает от 2 ГГц до 18 ГГц. Все эти квадратичные law детекторы были проверены  произведенным сигналом WCDMA, используя Agilent PSG E8267D, и на Осциллографе Agilent 54624А были изучены формы волны. Совпадающие по фазе WCDMA (I) и квадратурные (Q) сигналы одновременно измеряются на осциллографе. Затем WCDMA I и Q сигнал вычисляется, используя уравнение (8.1) и сравнивается с выходом датчика.

Измерения обнаружения огибающей, использующей сигнал со средней выходной мощностью 10дБм были графически изображены. Обнаружение огибающей детектором AD8361показано в рисунке 8.7,  результаты измерений детекторов Marconi и HP представлены на картинках 8.8 и 8.9 соответственно. Из данных трех детекторов детектор HP дает лучшее обнаружение огибающей и превосходную производительность при средней выходной мощности ниже 10дБм. Стоит отметить один важный момент- системе AET требуется линейное обнаружение огибающей для того, чтобы  поддержать общую линейность системы AET. В системе AET может быть допущено некоторое искажение из-за несовершенного обнаружения  квадратичного  law детектора. Поэтому в будущей работе рекомендуется, заменять обнаружение огибающей, используя квадратичный law детектор генерированием огибающей, используя сигналы I и Q.

8.1.4 Усиление группового сигнала

Поскольку AET сигнал, требуемый в проходном канале РЧУМ, во многом сравнивается с обнаруженной огибающей, он требует усиления. В данной  установке AET для измерений WCDMA используется монолитный усилитель ERA- 5 от Мини-Схем, который изображен на рисунке 8.10. Усилитель ERA 5 + это - широкополосный усилитель, который способен  работать от постоянного тока до 4 ГГц. Он  использует один источник напряжения и внутри согласовывается с сопротивлением 50Ω. Коэффициент его усиления составляет приблизительно 20 дБ на рабочей частоте 0.1 ГГц. Затем усилитель соединен с инвертирующим усилителем, который использует рабочий усилитель AD811 от Analog Devices, показанный на рисунке 8.11. AD811- высокопроизводительный рабочий  усилитель видео, имеющий диапазон рабочих частот до 120 МГц. Этот инвертирующий усилитель разработан с применением переменного усиления, для того, чтобы управлять амплитудой AET сигнала, установленного в проходной канал РЧУМ. Коэффициент замкнутого усиления , G данного инвертирующего усилителя, определенный в уравнении (8.2), скорректирован, изменением  резистора обратной связи РА. Схема  данного инвертирующего усилителя показана на рисунке 8.12. Резистор РБ прибавлен так, что у инвертирующего усилителя минимальное линейное усиление 2.

Так как данный инвертирующий усилитель является методом, используемым, чтобы управлять сигналом напряжения AET, то разработано максимальное линейное усиление приблизительно 10. Даже на этом уровне усиления, рабочий усилитель AD 811может усилить сигнал с диапазоном рабочих частот до 65 МГц, который намного больше, чем требуемый диапазон рабочих частот для данной прикладной программы.

8.1.5 Путевой генератор системы AET

Главная особенность разработанной системы AET - разделение постоянных и переменных составляющих путевого источника питания. Анализ разделения переменных составляющих тока и постоянных составляющих тока, рассмотренный в Главе 4, доказывает возможность улучшения выходной эффективности. Понятие разделения переменных составляющих тока и постоянных составляющих тока  отслеживающего сигнала воплощено в разработке и применении очень простого, низкого по стоимости путевого генератора напряжения AET, подробно описанном  в в Главе 7.

8.1.6 Линия задержки

На пути радиочастоты, сигнал должен быть задержан для того, чтобы осуществить коррекцию задержки в схеме генерирования AET на пути огибающей. После наблюдения за сигналом AET в канале смещения стока РЧУМ и огибающей, обнаруженной как раз перед входным каналом  РЧУМа, появилась необходимость в кабеле длиной приблизительно 9 м, чтобы поэтапно осуществить фазовую синхронизацию  двух сигналов. Этот кабель должен быть помещен на путь радиочастоты, поскольку любой  фазовый сдвиг постоянной составляющей может вызвать искажение и ухудшиться до линейности усилителя мощности.

Кабель, используемый для этой линии задержки, является коаксиальным кабелем с сопротивлением 50Ω и показанием затухания 52.7 дБ за 100 м на частоте 1 ГГц. Задержка по времени была впервые  измерена путем наблюдения за сигналом AET в проходном канале РЧУМ, а также за сигналом огибающей  во входном порту РЧУМ. Измеренная задержка составляла приблизительно 45 нс, поэтому при помощи уравнения (8.3), длина кабеля, необходимого для этой временной задержки, может быть вычислена. После чего определенная часть кабеля отрезается и измеряется по калибровке средств измерения. Для данного кабеля длиной  9 м измеряемое затухание составляло 7.03 дБ,

где c - скорость света, 3.0x108м/с, и t – задержка по времени. Очевидно, что при  полном системном внедрении эта задержка была бы выполнена, с  использованием цифровой обработки сигнала, при этом коаксиальный кабель и связанные потери не были бы учтены. Рисунок 8.13 показывает выровненные по времени сигналы между сигналом AET в проходном канале РЧУМ и сигналом огибающей, обнаруженные до входа РЧУМ. Отметим, что сигнал во входе РЧУМ обнаружен детектором МИ Сандерс, который обладает низким диапазоном рабочих частот, как показано в рисунке 8.14. Поэтому, максимальные сигналы непосредственно связаны с  выравниванием времени.

8.1.8 Усиление радиосигнала

Максимальная средняя мощность, сгенерированная при помощи PSG для измерений WCDMA и рассмотренная в разделе 8.1.2, была установлена как 15дБм. Поэтому, чтобы РЧУМ работал при своем максимальном показании выходной мощности 44Бм или 25 Вт, он управляется другим усилителем мощности. Ведущий усилитель мощности, используемый для этого измерения-  MW71C2240N от Freescale. MW71C2240N –радиочастотный  LDMOS широкополосный интегрированный усилитель мощности с  коэффициентом усиления мощности 30 дБ на частоте 2 ГГц. Этот усилитель мощности показан на рисунке 8.15

8.1.9 Принцип работы AET для измерений сигнала WCDMA

На рисунке 8.16.  показана экспериментальная установка AET для измерений сигнала WCDMA. Agilent PSG генерирует одиночный несущий сигнал WCDMA на частоте 1.98 ГГц. Отображающееся отношение пиковой и средней мощностей сигнала WCDMA составляет 9.17 дБ как описано ранее. Далее данный  радиочастотный WCDMA сигнал  разбивается разделителем питания на тракт огибающей и радиочастотный тракт. Огибающая сигнала WCDMA определяется на тракте огибающей. Также включен буферный усилитель, состоящий из монолитного усилителя ERA 5 + и инвертирующего усилителя, для того, чтобы генерировать необходимую амплитуду отслеживающего напряжения.

В промежуточном детекторе и монолитном усилителе, есть другой радиочастотный широкополосный трансформатор, у которого есть такие же характеристики как у трансформатора в путевом генераторе. Этот широкополосный трансформатор используется для согласования сопротивления  между детектором HP, который требует 470 Ω на выходе и монолитным усилителем, который требует 50Ω входного сопротивления.  

Схематическая диаграмма данного трансформатора сопротивления показана на рисунке 8.17 (a), а сам трансформатор показан на рисунке 8.17 (b). Обратите внимание на то, что при полном системном внедрении технологии AET, ее отслеживающий сигнал был бы сгенерирован непосредственно при помощи цифрового сигнального процессора, следовательно, потребляемая мощность буферного усилителя не включена в вычисления эффективности. Регулировка коэффициента усиления инвертирующего усилителя также представляет собой удобный метод регулировки амплитуды огибающей.

Далее сигнал огибающей применяется к путевому генератору, который состоит из усилителя огибающей (EA) и трансформатора радиочастоты. После этого огибающая выходного сигнала из данного EA соединяется с первичным полюсом радиочастотного трансформатора,  который разработан  с трансформацией напряжения 1:2. При вторичной обмотке, сигнал переменного тока из усиленного сигнала огибающей можно обнаружить на той же фазе, что и в первичной обмотке. Он становится переменной составляющей тока сигнала AET. Переменная составляющая тока сигнала AET объединена с ее постоянной составляющей при вторичной обмотке  трансформатора. Постоянная составляющая тока сигнала AET обеспечивается электропитанием постоянной составляющей тока, которое соединено с одним концом вторичной обмотки трансформатора. Сигнал AET смещает РЧУМ, соединяя другой конец трансформатора с проходным каналом РЧУМа. На радиочастотном тракте сигнал WCDMA  второго тракта разделителя задержан длиной кабеля и впоследствии доставлен к входному каналу ведущего усилителя мощности. Выход РЧУМ соединен с анализатором спектра Agilent 54624А, для того, чтобы измерить среднюю выходную мощность и также линейную производительность данного сигнала WCDMA с точки зрения его ACPR. Полное внедрение установки AET для данного измерения WCDMA показано на рисунке 8.18.

8.2 Рассмотрение производительности измеренного WCDMA

8.2.1 Обзор настроек измерений

Для данного измерения WCDMA были выбраны три настройки смещения затвора; 5%, 8.3% и 12.5% нитрид-галлиевого транзисторного тока насыщения на стоке, соответствующие 300мA, 500мA и 750мA токам стока. Все измерения для РЧУМ в установке AET сравниваются со смещенным РЧУМ при постоянном напряжении 28 В. Сравнение сделано при помощи RFPA, смещенным на 28В, что совпадает с максимальным напряжением составного сигнала AET. РЧУМ был измерен через динамический диапазон 10дБ от средней выходной мощности 2дБм до максимальной средней выходной мощности 33дБм.  33дБм- это  максимальная средняя выходная мощность для  25 Вт-го нитрид-галлиевого устройства, учитывая  отношение пиковой и средней мощностей 9.17 дБ сигнала WCDMA используемым в этом измерении.

8.2.2 Вычисление AET Сигнала из обнаруженного сигнала огибающей

Как упомянуто в разделе 8.1.9,  сигнал WCDMA выявляется детектором HP. Огибающая  усиливается  буферным усилителем прежде, чем сигнал огибающей будет введен в  путевой генератор. Тракт огибающей данной AET системы разработан настолько точно, чтобы покрыть сигнал диапазона рабочих частот огибающей WCDMA.  

На рисунке 8.19 графически изображены обнаруженный сигнал AET в проходном канале РЧУМ и сигнал огибающей WCDMA в разделителе питания, измеренные на осциллографе. На данной иллюстрации можно заметить, что форма огибающей очень хорошо сохранена в точке электропитания стока,  несмотря на  25 Вт- РЧУМ, работающий в глубокой модуляции класса AB. Отметим, что такая превосходная точность отслеживания была получена без использования схемы обратной связи ограничения полосы. Это сохранение формы огибающей сигнала WCDMA наблюдается на диапазоне измерения выходной мощности, где амплитуда отслеживания может составить до 20В в случае тока покоя на стоке 300мА. Амплитуда отслеживания, измеряемая для всех трех настроек смещения, показана на рисунке 8.20.

8.2.3 Результаты выходной эффективности

В измерении сигнала WCDMA, мы наблюдали выходную эффективность системы AET. Выходная эффективность, которая также включает в себя потребление путевым генератором постоянной мощности данной AET системы вычисляется, используя уравнение 4.12 в Главе 4. Результат выходной эффективности очень примечателен. Как показано на рисунке 8.21, выходная эффективность AET системы смещена при IDQ = 300мA, что составляет 31% на уровне средней мощности 33дБм, в то время, как выходная эффективность РЧУМ при смещении фиксированного  источника питания 28В составляет 21%. Поэтому, мы видим, что, применяя AET метод при данном смещении, мы получаем улучшение выходной эффективности на 47.6% по сравнению со смещенным РЧУМом с фиксированным источником питания, при этом, данное вычисление включает мощность, потребляемую усилителем огибающей.

Рисунки 8.22 и 8.23 показывают результат изменения смещения затвора, таким образом, ток покоя на стоке достигает 500мA и 750мA соответственно. На данных иллюстрациях мы замечаем, что выходная эффективность,  в том числе с фиксированным источником питания, уменьшились, вследствие увеличения нами настроек смещения затвора. На рисунке 8.21 выходная эффективность AET составляет 19.5%, а максимальная выходная  эффективность постоянного напряжения составляет 16.1%. На рисунке 8.22 максимальная выходная эффективность AET составляет 14.0%, а максимальная выходная эффективность с фиксированным источником питания составляет 10.6%. Обобщая, стоит отметить, что выходная эффективность уменьшается, с  увеличением смещения затвора. Это происходит согласно основной теории усиления мощности, но важно то, что согласование  РЧУМ было разработано для эффективности и питания при определенном смещении затвора, в данном случае это было IDQ 300мA. Вместе с изменением смещения затвора, производительность РЧУМ больше не является оптимальной; однако, несмотря на то, что выходная эффективность уменьшается  при увеличении смещения затвора, мы все еще наблюдаем полезные улучшения выходной эффективности при применении AET.

8.2.4 Результаты ACPR

В  данном измерении сигнала WCDMA, производительность линейности с точки зрения ACPR была определена для трех различных смещений затвора. Производительность  AET системы сравнивается с фиксированным напряжением питания. На рисунке 8.24 ACPR был графически изображен при средней выходной мощности IDQ 300мA. На этом рисунке был рассмотрен асимметричный ACPR. Мы видим, что верхняя сторона AET у ACPR имеет переменное улучшение до средней выходной мощности 31Дбм и что нижняя сторона AET у ACPR не показывала улучшения по сравнению с большинством средних выходных мощностей. Как показано на рисунке 8.25, при средней выходной мощности 30дБм, приблизительно 3дБ PBO, из сигнального спектра мы видим некоторое улучшение верхней стороны у ACPR, в то время, как на более низкой стороне ACPR фиксированное напряжение питания обладает лучшей линейностью.

При IDQ 500мA, ACPR и для AET и для фиксированного напряжения питания  выглядят симметричными, как показано на рисунке 8.26.  Производительность ACPR в системе AET сходна с производительностью фиксированного напряжения питания при данном смещении. Это также заметно в сигнальном спектре на рисунке 8.27 при средней выходной мощности 30дБм.

 

При  IDQ 750мA, производительность ACPR РЧУМа при  установке AET  показала хорошее улучшение по сравнению с большинством средних выходных мощностей, имея лучшую производительность линейности из всех трех смещений.

При максимальной средней выходной мощности 33дБм, верхняя сторона AET у ACPR показала  улучшение около 5дБс, в то время как низкая сторона AET у ACPR показала подобную производительность при низком значении ACPR-43дБс, как показано на рисунке 8.28. Это улучшение ACPR можно наблюдать в сигнальном спектре в средней выходной мощности 30дБм, как показано на рисунке 8.29. Спектр вывода AET (в красном цвете) показывает существенное улучшение приблизительно 11дБс на верхней стороне ACPR и 5.5дБс на  низкой стороне ACPR по сравнению с фиксированным напряжением питания выхода спектра (в синем цвете)

Из данных измерений ACPR при трех смещениях мы получаем то, что лучшая линейность достигнута при смещении затвора IDQ 750мA, который является самым близким к точке смещения класса A. Это происходит из-за сжатия коэффициента усиления, который более искажен в зоне класса B, чем в зоне класса A.

8.2.5 Потребление мощности переменной составляющей тока

Как упомянуто в Главе 4, одно важное понятие системы AET- то, что переменная составляющая тока AET сигнала очень небольшая по сравнению с постоянной составляющей тока сигнала. Поэтому, в данной WCDMA AET структуре, мы измеряем и переменные составляющие тока и постоянные составляющие тока AET сигнала, которые включены в вычисления выходной эффективности, представленные ранее. Переменная составляющая тока AET сигнала исходит из усилителя огибающей. Постоянная составляющая тока AET сигнала определена источником питания постоянной составляющей, который соединен с вторичной обмоткой трансформатора. Рисунок 8.30 показывает процент питания переменным током при общем AET питании во всех измеренных средних выходных мощностях. Как мы видим на рисунке 8.30, при максимальной средней выходной мощности WCDMA 33дБм, для IDQ 750мA, процент питания переменным током был всего 3%. Для IDQ 500мA и 300мA, проценты составляют 7.5% и 20% соответственно. Эти проценты меньше, чем совершенный синусоидальный сигнал, рассмотренный в Главе 4. Это доказывает, что AET метод более эффективен по сравнению с установкой фиксированного напряжения питания.  

8.3. Резюме главы

В данной главе были подробно представлены измерения сигнала WCDMA в системе AET. Полная установка AET включала обнаружение огибающей и линии задержки, которые отсутствовали в измерениях синусоидальных сигналов. Результаты выходной эффективности РЧУМ в тех же точках смещения, что и измерения синусоидального сигнала, показали существенное улучшение системы AET по сравнению с фиксированным смещением источника питания. Однако результаты ACPR не показали существенного улучшения в системе AET. Это происходит из-за сложности сигналов WCDMA с высоким диапазоном рабочих частот и высоким отношением пиковой и средней мощностей. В целях дальнейшего исследования измерения WCDMA были расширены до других точек смещения;  измерения выходной эффективности, тем не менее, показали существенное улучшение для системы AET по сравнению с фиксированным смещением источника питания. В данных измерениях ACPR также показал улучшение по сравнению с фиксированным смещением источника питания. Улучшения ACPR были достигнуты, когда точка смещения была cдвинута в режим класса A при использовании  очень небольшого процента потребления мощности переменным током. Улучшение ACPR в данной точке смещения привело к идеям улучшений системы AET, которые будут исследованы в будущей работе.

Глава 9

Выводы и будущие исследования

9.1 Выводы

РЧУМ является основным устройством в структуре передатчика. Важно разработать высокую производительность эффективного и линейного РЧУМа. Это происходит из-за требований современной системы беспроводной связи, где переданный сигнал обладает большим диапазоном рабочих частот  и высоким отношением пиковой мощности к средней (PAR). В данной работе была исследована производительность РЧУМ с точки зрения эффективности и линейности при помощи системы Вспомогательного Отслеживания Огибающей (AET).  Данная система адаптирована из системы  стандартного «Отслеживания Огибающей» (ET), которая известна как  технология улучшения эффективности, смещая во время работы РЧУМ с сигналом отслеживания огибающей. Ключевое изменение системы AET по сравнению с системой ET  заключается в генерировании отслеживающего сигнала. Этот новый метод генерирования отслеживающего сигнала достигнут при помощи разделения переменной и постоянной составляющей тока отслеживающего сигнала,  который приводит к простому и рентабельному  аппаратному внедрению.

С точки зрения системной эффективности, разработчики стандартной системы ET,  внедряют путевой генератор  высокой производительности, обладающего сложной конструкцией, для того, чтобы достигнуть полную высокую системную эффективность. Система AET, с другой стороны, производит малоамплитудный  отслеживающий сигнал, чтобы сместить РЧУМ, который способствует повышению эффективности системы. В Главе 4 были выполнен математический анализ и моделирование сигнала, чтобы показать  улучшение работы систем ET и AET. В то время как стандартная ET система повышает эффективность РЧУМа, AET система может также улучшить  линейность РЧУМ, используя нитрид-галлий галлия (GaN) РЧУМ без какой-либо дополнительной схемы, направленной на  улучшение линейности. Это достигается применением  harnessing используя колебание коэффициента усиления GaN, наблюдаемое, когда напряжение на стоке РЧУМ меняется.

С начальных измерений несущей частоты наблюдалось существенное колебание усиления в нитрид-галлиевом РЧУМе, это колебание отсутствовало в измеряемой смещённо-диффузной металл-оксид-полупроводниковой технологии на основе кремния (LDMOS) РЧУМа. Были измерены три нитрид-галлиевых РЧУМа, для того, чтобы показать это колебание коэффициента усиления, что описано Главе 3. Результат измерения коэффициента усиления  нитрид-галлиевого РЧУМа был соотнесен с логарифмической функцией, которая использовалась, чтобы проанализировать линейную производительность РЧУма с точки зрения интермодуляции третьего порядка (IM3).  Колебание коэффициента усиления и уравнения смещения отслеживающего напряжения на стоке были соотнесены с  нелинейным уравнением передаточной характеристики, которое было ограничено  компонентом третьего порядка для анализа IM3. Из математического анализа заключительная производная показала, что искажение IM3 может быть минимизировано, если управлять амплитудой отслеживающего сигнала.

Математический анализ нитрид-галлиевого колебания коэффициента усиления  GaN на искажении IM3 был далее подсчитан системой измерения AET, используя синусоидальные сигналы. В начальных измерениях синусоидальных сигналов, выполняемых на 10 Вт нитрид-галлиевом РЧУМе   класса J, наблюдалось существенное сокращение искажения IM3 по сравнению с РЧУМ со смещенным фиксированным источником питания. Также был измерен 20 Вт LDMOS РЧУМ, используя ту же установку, но  никакого существенного улучшения IM3 не наблюдалось. Это уменьшение искажений IM3 подтолкнуло к созданию  нитрид-галлиевого РЧУМа класса AB на 25 Вт для дальнейшего исследования системы AET. Он был разработан с использованием серии моделирований ADS, сконструирован и протестирован.  Далее РЧУМ был интегрирован с усилителем огибающей (EA) и «сумматором»  недавно разработанной системы AET. В данной установке,  EA был разработан с использованием простой конфигурации истокового повторителя, которая использовала дешевый и  готовый к использованию транзистор.  В очередной раз IM3производительность РЧУМа класса AB на 25 Вт AB была определена в данной новой AET системе. Производительность IM3 значительно улучшилась по сравнению с фиксированным смещением источника питания, и результаты не противоречили  начальным измерениям, выполняемым на РЧУМ класса J. Выходная эффективность стока нитрид-галлиевого РЧУМ на 25 Вт была также определена с небольшим улучшением по сравнению с фиксированным смещением источника питания в большинстве измеряемого диапазона мощности.

Измерения синусоидальных сигналов  системы AET сформировали основание для большего количества измерений, используя сложные сигналы. В данном случае был выбран сигнал WCDMA, была разработана установка измерений, чтобы исследовать улучшение производительности РЧУМ. В  установке  измерений WCDMA используемым сумматором был широкополосный радиочастотный трансформатор. Этот радиочастотный широкополосный трансформатор заменяет диплексер, используемый в измерении синусоидальных сигналов. Это было сделано, чтобы выполнить требование диапазона рабочих частот сигнала WCDMA,  который  также обладает  высоким отношением пиковой и средней мощностей. Радиочастотный широкополосный трансформатор доказывает, что изоляция постоянного тока определена между первичной и вторичной обмоткой. Методика разработки радиочастотного широкополосного трансформатора представлена в Главе 7, где было разработано и протестировано определенное количество трансформаторов. Трансформатор с лучшей производительностью, является трансформатор, сделанный из Материала 43 с 8 поворотами обмоток, и имеющий меньшую эффективную площадь поперечного сечения.

Система AET была полностью разработана для измерения сигнала WCDMA. Был сгенерирован практический сигнал WCDMA со стимулирующим PAR (9.17 дБ), чтобы протестировать систему AET. Отслеживающий сигнал смещения в проходном канале, по наблюдениям, отслеживал сигнал огибающей в канале затвора логического элемента РЧУМ. Производительность РЧУМ была определена и представлена в Главе 8. Измерение при том же смещении затвора, что и измерение синусоидальных сигналов показало приблизительно  47.6% улучшения эффективности  по сравнению со случаем  фиксированного смещения источника питания. Питание переменным током, сгенерированное EA, исходя из малоамплитудного отслеживания, имело небольшой процент потребления суммарной мощности. Низкое потребление питания переменным током является причиной, по которой установка  AET смогла обеспечить хорошую эффективность по сравнению c фиксированным смещением источника питания.

Линейная производительность AET с точки зрения ACPR действительно показала небольшое улучшение при низкой выходной мощности, а производительность ACPR показала некоторое ухудшение при более высоких выходных мощностях по сравнению с фиксированным смещением источника питания. Уменьшенная линейная производительность РЧУМ при более высоких выходных мощностях вызвана природой сложного сигнала WCDMA, который имеет высокий PAR, где всестороннее исследование принесет только пользу. Последние исследования, используя тестовую систему активной нагрузки на растяжение и сложный мультинесущий сигнал указали, что еще есть потенциал  для системы AET как технологии линеаризации, однако это потребует более усовершенствованного синтеза профиля напряжения AET  c использованием цифровых методов (см. раздел 9.2 ниже). Однако, нужно отметить, что существенное улучшение эффективности все еще имеет значение, и ухудшенный ACPR все еще может соответствовать требованиям некоторых приложений. Таким образом, в будущей работе, AET можно рассматривать как автономный, рентабельный метод улучшения эффективности для некоторых приложений.

Исследование производительности РЧУМ было расширено, исследуя различные условия смещения затвора. В теории линейная производительность  режима класса  A лучше по сравнению с режимом класса B из-за сжатия коэффициента усиления класса B, который вызывает большее искажение. Измерения WCDMA при различных смещениях затвора не противоречили  вышеупомянутой теории. Поскольку точка смещения затвора движется ближе к режиму класса A, производительность ACPR РЧУМ улучшается. Однако РЧУМ показал компромисс с точки зрения выходной эффективности. Выходная эффективность уменьшается по мере того, как  смещение  на затворе двигается в  режим класса A. Измеренные результаты потребления питания переменным током, однако, показали влияние питания переменного тока потребляемого  путевым генератором на всю выходную эффективность AET утечки. По мере движения смещения затвора ближе к режиму класса A, потребление питания переменным током становится ниже. Из этого результата возможно  дальнейшее исследование анализа для будущего улучшения эффективности и линейности. Когда выбран ток покоя на стоке 750mA, более низкая выходная эффективность РЧУМ в этой точке смещения может быть повышена при помощи другой конфигурации EA, более эффективной, приводящей к улучшению общей  эффективности системы AET.

В заключении стоит отметить то, что в данной работе был разработан, реализован и протестирован с использованием сигнала WCDMA и синусоидального сигнала новый метод под названием AET.  Эффективность и линейность РЧУМ улучшаются при использовании данного метода. Эти улучшения были показаны в измерениях синусоидального сигнала. В случае с WCDMA наблюдалось существенное улучшение эффективности, в то время как линейная производительность РЧУМ показала некоторые улучшения при более низких выходных мощностях и некоторое ухудшение при более высоких выходных мощностях. Углубленное исследование на других смещениях затвора показало компромисс между производительностью эффективности и линейности, который при использовании  более эффективной конструкции EA может улучшить обе производительности одновременно. Несмотря на то, что существует больше исследований, которые могут быть применены в AET установке для измерений сигнала WCDMA, понятие AET объясненного в Главе 4 допускается на основе исключительной работы измерений синусоидальных сигналов. Кроме того, внедрение путевого генератора, который использует простую конструкцию и рентабельную составляющую, может иметь потенциальное коммерческое применение, что является прямым преимуществом для продуктов сети микроячеек в отрасли мобильной связи.  

9.2 Будущие исследования

В данной работе было определено понятие системы AET. Внедрение  AET системы для измерения синусоидального сигнала привело к более стимулирующему измерению, с использованием сигнала WCDMA с высоким диапазоном рабочих частот и высоким отношением пиковой и средней мощностей. Результаты производительности РЧУМ для измерения синусоидального сигнала не противоречили  математическому анализу, однако сигнал WCDMA, обладающий  более высоким диапазоном рабочих частот и более высоким отношением пиковой и средней мощностей, повлиял на производительность AET системы. Поэтому  дальнейшая работа будет заключаться  в улучшении производительности AET при применении  сигнала WCDMA.

9.2.1 Цифровой подход в обнаружении отслеживающего сигнала.

В системной установке AET для измерений сигнала WCDMA, представленных в этой работе, обнаружение огибающей выполнялось автономным детектором огибающей. Этот детектор огибающей,  ограниченный определенным диапазоном рабочих частот, вводит фиксированную нелинейную характеристику в заключительный состав отслеживающего напряжения. Несмотря на то, что отслеживающий сигнал AET не должен иметь максимальную точность в повторении формы огибающей, интересно выяснить, может ли производительность линейности и эффективности РЧУМ быть улучшена, когда создана точная огибающая, с использованием I и Q элементов сигнала WCDMA. Поэтому, предлагается осуществить внедрение отслеживающего сигнала AET, используя цифровую обработку сигналов (DSP) как показано на рисунке 9.1.

Кроме того, необходимым усилением амплитуды огибающей можно легко управлять без какого-либо дополнительного питания от буферного усилителя.  Без буферного усилителя, система более компактна, несмотря на то, что это добавит некоторую сложность к конструкции системы. На данном этапе DSP можно выполнить компенсацию задержки, задержку группового сигнала также можно легко проанализировать.

9.2.2 Двухтактный усилитель огибающей

В рассмотрении потребления питания переменным током упомянутого в разделе 9.1 было отмечено, что новая конструкция путевого генератора может улучшить общую эффективность AET, когда РЧУМ работает в точке смещения ближе к режиму класса A. В Главе 4 результаты моделирования WCDMA показали, что, когда эффективность путевого генератора выше, общая эффективность системы также улучшается. Текущим EA, используемым в системе  AET в данной работе,  является усилитель класса А с конфигурацией истокового повторителя. В теории эффективность усилителя класса В намного выше, чем для усилителя класса А. Поэтому, новой конструкции  топологии EA предлагается использовать двухтактную конфигурацию класса B, чтобы достигнуть лучшей эффективности EA.   Высокая производительность EA сможет ослабить требование к эффективности РЧУМ, что означает, что РЧУМ можно сместить в более высокий ток покоя на стоке к режиму класса A. Смещая EA в класс B и РЧУМ  ближе к классу A,  можно улучшить линейность РЧУМ, не подрывая  системную эффективность.

Предложенная двухтактная конфигурация Класса B для EA показана на рисунке 9.2, и она будет названа  двухтактным истоковым повторителем EA. В данной конфигурации используются два трансформатора, касающихся центра. Трансформатор во входном каскаде меняет несбалансированный сигнал огибающей на сбалансированный.  Радиочастотный  широкополосный трансформатор, рассмотренный в данной  исследовательской работе, который состоит из trifilar обмотки на тороидальном сердечнике, может использоваться с этой целью. Второй трансформатор, используемый в выходном каскаде, должен вернуть сбалансированный сигнал к несбалансированному сигналу. Этот второй трансформатор может также функционировать как сумматор для  AET системы, где постоянная составляющая тока AET сигнала будет объединена с переменной составляющей тока AET сигнала. Это можно получить, соединяя источник питания постоянным током с одним концом вторичной обмотки преобразователя.

Есть много преимуществ использования предложенной новой конфигурации EA. Во-первых, радиочастотный широкополосный трансформатор и двухтактная конфигурация класса B предлагают широкий диапазон рабочих частот работы, что подходит для усиления огибающей WCDMA. Во-вторых, двухтактная конфигурация этого усилителя может предотвратить насыщение трансформатора, когда токи смещения от этих двух устройств двигаются в противоположных направлениях и уравновешиваются. Это может минимизировать любое искажение, исходящее из намагничивания ядра трансформатора. В-третьих, предложенная двухтактная конфигурация класса B несет пользу от преобразования сопротивления, которое возможно при помощи трансформатора. Выбирая надлежащее отношение  числа поворотов 1:N, можно достичь повышение сопротивления или преобразование напряжения радиочастотного преобразователя в выходном каскаде.

В заключении, улучшенный AET путевой генератор, использующий двухтактную конфигурацию, может улучшить общую эффективность AET системы. Новый путевой генератор обладает прямым коммерческим внедрением особенно в приложении базовой станции сети микроячеек.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

16363. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ ОБЪЕМНЫХ РЕЗОНАТОРОВ 588.5 KB
  МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторной работе ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ ОБЪЕМНЫХ РЕЗОНАТОРОВ В методических указаниях даны рекомендации по расчету объемных резонаторов и экспериментальному измерению резонансной частоты собственной и нагруженной добротности объемн
16364. Определение теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов 133 KB
  Лабораторная работа №1. Определение теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов Цель и задачи работы: ознакомление со стационарным методом измерения коэффициентов теплопроводности теплоизоляционных материалов и про...
16365. Исследование сложного теплообмена горизонтальной трубы с окружающим воздухом в условиях свободной конвекции 511 KB
  Лабораторная работа №4. Исследование сложного теплообмена горизонтальной трубы с окружающим воздухом в условиях свободной конвекции Цель работы: расчетное и экспериментальное определение основных характеристик сложного теплообмена количества теплоты передав...
16366. Исследование теплоотдачи при движение воздуха в пучке труб 1000 KB
  Отчёт к лабораторной работе № 5 Цель работы: Исследование теплоотдачи при движение воздуха в пучке труб. Введение: При поперечном омывании жидкость пучков труб в зависимости от числа Re различают следующие три режима: ламинарный смешанный и турбулентный. Чаще всего ...
16367. Определение степени черноты излучающего тела 1012.5 KB
  Лабораторная работа № 6 Определение степени черноты излучающего тела Цель работы: определение степени черноты излучающей поверхности тела. Задачи работы: Экспериментальное определение степени черноты различных тел. Экспериментальное исследование
16368. Определение коэффициента теплоотдачи излучением между двумя телами 103.5 KB
  Лабораторная работа №8 Цель работы: Определение коэффициента теплоотдачи излучением между двумя телами. Введение: Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучающего тела путем электромагнитных волн распространяющих...
16369. Библиотека консольного ввода-вывода 1.07 MB
  Дисциплина Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей Отчет по лабораторным работам №2 На темы: Библиотека консольного вводавывода Цель работы Научится работать с функциями Win32 API для создания и управления консолью. Задание Разработать библи...
16370. Построение сетей с помощью концентраторов, коммутаторов, маршрутизаторов 857 KB
  Построение сетей с помощью концентраторов коммутаторов маршрутизаторов. Цель работы: Ознакомление с приемами моделирования сетей с помощью ПО Cisco Packet Tracer. Получение навыков по построению и моделированию сетей с использованием концентраторов коммутаторов