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Como construir amplificadores de potência de RF mais eficientes finalizando as harmônicas no pacote

Date:2018/10/24 15:58:43 Hits:

Os sistemas de comunicação móvel de alta taxa de dados precisam de amplificadores de potência de RF (PAs) que ofereçam alta eficiência energética, para ajudar a reduzir os custos operacionais das redes.

Isto é um desafio, uma vez que os complexos esquemas de modulação usados ​​nos últimos padrões celulares têm altas taxas de pico a média de energia (PAR) que, por sua vez, exigem altas eficiências médias dos PAs dos transmissores. Muitas arquiteturas de PA têm um "ponto ideal" no qual operam com mais eficiência e operam com eficiências muito menores longe desse local. Atingir eficiências médias elevadas significa, portanto, construir arquiteturas de PA que sejam eficientes em uma ampla gama de condições de operação.

Vimos algumas abordagens promissoras para construir esses PAs, usando transistores de GaN em Doherty e arquiteturas fora de fase. Acreditamos que é possível obter eficiências ainda maiores se a maneira pela qual os harmônicos mais altos do sinal transmitido são finalizados puderem ser controlados de forma mais eficaz sem aumentar o tamanho ou a complexidade da placa PA.

Nossa abordagem utiliza transistores de GaN harmonicamente combinados e uma arquitetura quase sem diferenciação de carga (QLI) para obter as eficiências de um amplificador Classe-E em um pacote de RF padrão. A abordagem oferece operação de alta eficiência. Apesar do modo como as arquiteturas de PA Doherty e out-phasing modulam suas cargas.

Como um lembrete, a Figura 1 mostra uma arquitetura simplificada do Doherty PA.


Figura 1: Uma arquitetura simplificada do Doherty PA



Figura 2 Uma arquitetura simplificada de PA de out-phasing



Construindo PAs mais eficientes usando técnicas de QLI
Utilizamos uma implementação de indutância finita de um amplificador Classe-E para obter alta eficiência de uma estrutura de circuito simples. Numerosos modos de operação surgem quando a relação entre os elementos da rede de carga e os parâmetros de entrada varia em função do fator de ressonância q = 1 / ω√LC, através de L e C, como mostrado na Figura 3.


Figura 3: A classe E PA quase insensível à carga, com seu indutor de alimentação CC finito L e seção LC de passagem baixa (L1C1) e formas de onda relacionadas


Em q = 1.3, o PA entra em um modo de operação Classe-E que oferece a melhor eficiência em uma ampla faixa de resistências de carga - conforme necessário para sistemas que usam modulação de carga dinâmica.

Em pacotes RF padrão, as restrições de tamanho e custo permitem apenas topologias de rede de correspondência simples. Um capacitor em série é particularmente difícil de implementar internamente. Portanto, derivamos uma seção LC de passagem baixa transformada funcionalmente idêntica (L1C1), como mostrado na metade inferior da Figura 3.

Como os harmônicos mais altos são combinados dentro do pacote, um sistema convencional de carga e tração é bom o suficiente para atingir a impedância ideal para máxima eficiência, máxima potência de saída e recuo (por exemplo, 6dB). Os dados medidos mostram que a potência máxima de saída e a eficiência estão alinhadas no eixo real do gráfico Smith do amplificador. A eficiência de pico é preservada enquanto a potência de saída diminui para uma parte real crescente da carga, o que mostra que a impedância de segundo harmônico necessária para atingir a eficiência máxima durante a modulação de carga não é afetada. Esta propriedade é muito útil para aumentar a eficiência média de PAs Doherty e out-phasing.



Aplicando técnicas de QLI a um projeto de PA Classe E Doherty
Nossas medições de carga e tração da potência e eficiência do dispositivo embalado sugerem que ele possui uma rotação do sinal interno λ / 4. Essa rotação interna pode ser levada em consideração no projeto da rede de carga do Doherty PA, portanto, não é necessário adicionar linhas de compensação na saída. A impedância de carga fundamental necessária nos terminais da embalagem também é alta o suficiente para permitir que o combinador Doherty seja conectado diretamente sem uma rede de correspondência extra.

O fato de que os harmônicos mais altos são terminados dentro do pacote significa que a rede de carga para o Doherty PA pode ser simples, compacta e que não precisa de correspondência harmônica mais alta. Além disso, o dispositivo principal é polarizado no modo Classe-AB enquanto o dispositivo de pico é polarizado no modo Classe-C para suas correntes quiescentes para garantir a operação Doherty convencional, de modo que quando acionado com força, o dispositivo entrará em operação semelhante à Classe-E.



Aplicando técnicas de QLI a um design de PA de saída mista e modo misto
O projeto de out-phasing de modo misto é mostrado na Figura 4 (b). A compensação Chireix foi incorporada nos dois ramos, ajustando seu comprimento elétrico em ± Δ, em vez de adicionar uma suscetibilidade de derivação que consome área. O valor de Δ determina o ângulo de compensação de defasagem necessário.

Para operações de saída de fase mista, uma combinação de controle de potência de entrada e fase é usada para obter a eficiência máxima de dreno / PAE em comparação ao retorno de energia. O perfil do inversor para obter a melhor resposta de eficiência é armazenado em uma tabela de pesquisa. Isso significa que o PA out-phasing pode evitar um corte de eficiência / ganho acentuado em ângulos de faseamento maiores e, assim, manter sua alta eficiência de alinhamento.


Arquitecturas QLI PA na prática
Testamos essas duas arquiteturas de PA usando uma configuração de medição de entrada dupla que poderia varrer tanto a fase de entrada quanto a amplitude do sinal. Os dispositivos não foram empurrados para alta compressão, para evitar o superaquecimento durante a operação com ondas contínuas. Isto significa que a potência de pico com sinais modulados é pelo menos 1dB maior que a potência de saída medida estática. Foi utilizada uma abordagem polinomial de memória geral comutada por vetor para linearização. Uma estratégia otimizada de pré-distorção digital deveria proporcionar uma linearização ainda melhor.


Conclusão

Este trabalho mostra que é possível construir PAs de alta eficiência, baseados em modulação de carga, finalizando harmônicos mais altos dentro do pacote de RF. Essa abordagem também significa que as redes de combinação de energia podem ser simples e compactas.


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