Ενισχυτές ισχύος ασύρματων μητροπολιτικών δικτύων βασισμένων στο πρότυπο 802.16
Authors: Βρυσάς Κωνσταντίνος 
Published: August 2021

Οι ευρείας ζώνης ασύρματες εφαρμογές έχουν γνωρίσει ραγδαία ανάπτυξη επιτρέποντας την ενσωμάτωση διαφορετικών προτύπων επικοινωνίας (WLAN, UMTS, etc.) σε ένα και μόνο τερματικό. Στις ασύρματες αυτές συσκευές μείωση της κατανάλωσης συνεπάγεται την επιμήκυνση της ζωής της μπαταρίας και επομένως της αυτονομίας του τερματικού. Καθώς ο ενισχυτής ισχύος είναι το κατεξοχήν κύκλωμα που καταναλώνει την περισσότερη ισχύ σε έναν ασύρματο πομποδέκτη, η υιοθέτηση αποδοτικών (π.χ. AB, E, F) αρχιτεκτονικών λειτουργίας δείχνει να αποτελεί τη λύση του παραπάνω προβλήματος. Ωστόσο, μείωση της γωνίας αγωγής συνεπάγεται χειροτέρευση της γραμμικότητας του ενισχυτή εν συγκρίσει με έναν γραμμικό ενισχυτή τάξης A για το ίδιο επίπεδο ισχύος εξόδου. Η ανάπτυξη επομένως μιας τεχνικής που να εξασφαλίζει καλή γραμμικότητα και ταυτόχρονα ικανοποιητική αποδοτικότητα ισχύος θα διευκόλυνε την ανάπτυξη ολοκληρωμένων ενισχυτών ισχύος για ασύρματες εφαρμογές. Οι ενισχυτές ισχύος που λειτουργούν σε μειωμένη γωνία αγωγής παρουσιάζουν μία συμπεριφορά που συντίθεται από ένα σύνολο μη γραμμικών χαρακτηριστικών (π.χ. self bias effect, gain expansion, IMD3 sweet spots). Οι ιδιότυπες αυτές μη γραμμικές συμπεριφορές μπορεί να χρησιμοποιηθούν εγγενώς με τρόπο τέτοιο ώστε να οδηγήσουν σε βελτίωση τόσο της αποδοτικότητας ισχύος όσο και της γραμμικότητας χωρίς την αύξηση της πολυπλοκότητας του συστήματος. Η παρούσα διατριβή ασχολείται με δύο βασικές θεματικές ενότητες: τη μοντελοποίηση συμπεριφοράς ενισχυτών ισχύος (bevarioral modeling) καθώς και τη σχεδίαση ενισχυτών για ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα που να συνδυάζουν ταυτόχρονα υψηλή αποδοτικότητα ισχύος και γραμμικότητα. Η ύπαρξη ενός μοντέλου ενισχυτή ισχύος, το οποίο μπορεί να παρέχει τη δυνατότητα αφενός μοντελοποίησης και αφετέρου ανεξάρτητου και αποτελεσματικού ελέγχου των μη γραμμικών αυτών συμπεριφορών, θα έδινε στον σχεδιαστή ένα πλεονέκτημα καθώς θα διευκόλυνε - σε πρώιμο σχεδιαστικό στάδιο - τον προσδιορισμό των προδιαγραφών που πρέπει να πληρεί ο ενισχυτής ισχύος προκειμένου να ικανοποιεί τις σχεδιαστικές απαιτήσεις τόσο σε γραμμικότητα όσο και σε κατανάλωση ισχύος. Το πρώτο μέρος της διατριβής ασχολείται ακριβώς με την ανάπτυξη ενός τέτοιου μοντέλου. Η αρχιτεκτονική του μοντέλου βασίζεται στην βαθμιαία «οικοδόμηση» με τη χρήση ανεξάρτητων δομικών στοιχείων - συναρτήσεων που περιγράφουν ρεαλιστικά μη γραμμικά χαρακτηριστικά του ενισχυτή ισχύος όπως είναι το μέσο ρεύμα ηρεμίας, η αύξηση του κέρδους πριν τη συμπίεση (gain expansion), η συμπίεση κέρδους, και οι ενδοκαναλικές μη γραμμικότητες (IMD). Καθώς αυτά τα φαινόμενα παρατηρούνται να έχουν έμφυτη σύνδεση και εξάρτηση του ενός από το άλλο στους πραγματικούς PAs, το μοντέλο αποκαθιστά τη φυσική αυτή εξάρτηση με την επιβολή ανάδρασης, χωρίς να ακυρώνει την ικανότητα ανεξάρτητου ελέγχου των διαφόρων φαινομένων που μοντελοποιεί, με τη βοήθεια επίσης ανεξάρτητων ομάδων παραμέτρων. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται μία ανάλυση σε επίπεδο συστήματος ενός ασύρματου πομπού, η λειτουργία του οποίου βασίζεται στο πρότυπο WLAN 802.11. Στόχος της ανάλυσης αυτής είναι η εκτίμηση των ορίων εντός των οποίων πρέπει να κυμαίνονται οι προδιαγραφές του ενισχυτή ισχύος προκειμένου να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις σε γραμμικότητα (EVM). Στο δεύτερο μέρος της εργασίας παρουσιάζεται μία νέα τεχνική γραμμικοποίησης και ταυτόχρονης αύξησης της αποδοτικότητας ισχύος του ενισχυτή. Η προτεινόμενη τεχνική βασίζεται στην απευθείας χρήση του ρεύματος ηρεμίας που ρέει στο συλλέκτη του τρανζίστορ ισχύος, ώστε να εξασφαλιστεί ικανοποιητική αποδοτικότητα σε χαμηλά επίπεδα της ισχύος εξόδου του ενισχυτή χωρίς τη χειροτέρευση της γραμμικότητας σε υψηλά επίπεδα ισχύος εξόδου. Η αύξηση του ρεύματος ηρεμίας του ενισχυτικού τρανζίστορ ισχύος, λόγω του φαινομένου της αυτοπόλωσης, απομονώνεται, πολλαπλασιάζεται με κατάλληλο συντελεστή και ανατροφοδοτείται πίσω στη βάση του τρανζίστορ ισχύος. Σαν αποτέλεσμα, σε χαμηλά επίπεδα ισχύος του σήματος εισόδου, το ρεύμα ηρεμίας παραμένει χαμηλό διατηρώντας έτσι την κατανάλωση σε DC ισχύ χαμηλή, ενώ σε υψηλά επίπεδα ισχύος του σήματος εισόδου το DC ρεύμα συλλέκτη αυξάνεται σε επαρκείς τιμές ώστε να επιτρέπει την αύξηση της γραμμικής ισχύος που μπορεί να εκπέμψει ο ενισχυτής, καθώς επιφέρει μετατόπιση του σημείου συμπίεσης 1dB σε υψηλότερες τιμές της ισχύος εξόδου. Η λειτουργικότητα της τεχνικής επιβεβαιώθηκε με τη βοήθεια μετρήσεων που διεξήχθησαν επί αρχέτυπου ενισχυτή που κατασκευάστηκε για το λόγο αυτό.