Larry Hawkins,
Analog Devices, Inc.
מתכנני מגברים להספקים גבוהים
(high power amplifiers – HPAs) המשמשים בתחנות הבסיס CDMA2000 ו-W-CDMA ניצבים בפני אתגרים רבים בביצוע מדידות הספק שידור מדויקות. הסיבוכים כוללים יחסי שיא-לממוצע גבוהים, יחסי שיא-לממוצע המשתנים עם עומסי תחנת הבסיס, תחומי טמפרטורת הפעלה גדולים ותחומי הספק שידור גדולים. ניצול מדויק של מדידות הספק המוצא RMS מאפשר ליצרני HPA להפחית את ההספק המרבי עבורו הם מתכננים. מאמר זה מתאר דרכים אחדות של מדידה ובקרה של הספק ה-RMS לפי הטמפרטורה.
לסכימות אפנון מורכבות כגון ה-CDMA2000 וה-W-CDMA יש יחסי שיא-לממוצע גדולים. עבור דרישת הספק מוצא ממוצע מרבי נתונה, המרב המתוכנן עבור דרישת ההספק יעלה בד”כ (או שדרישות השגת הליניאריות עולות), ככל שערך השיא-לממוצע עולה בשל המסכה הספקטראלית ודרישות ה-EVM של תחנת הבסיס. אם השיאים של האות המאופנן מקוצצים (clipped), העיוות מסדר שלישי יגדל, ויגרום שתחנת הבסיס תיכשל בדרישות המסכה הספקטראלית שלה. קיצוץ השיאים של אות מאופנן עלול גם לגרום לאיבוד נתונים, ויגרום שהמערכת תיכשל בדרישות ה-EVM שלה. תכנון HPA מבוסס על דרישות שידור הספק השיא הוא יקר אך חיוני. ההוצאות הנוספות הן בגלל העלות הגדלה של הרכיבים החשמליים, ובגלל היעילות הפוחתת של ה-HPA. קיים תמיד יחס דולר/ואט הכרוך בהספק המרבי המתוכנן של HPA והפעלת HPA הרבה מתחת לנקודת הרוויה שלו היא לא-יעילה. הפחתת היעילות תעלה את עלות מודול ה-HPA בשל הגידול בעלות, בגודל ובמשקל של המבנה המכני המשמש לפיזור החום, הפחתת אמינות ה-HPA ועליית עלות התפעול שלה.
הקטנת ההספק המרבי המתוכנן של HPA היא חשובה עבור יצרני ה-HPAs. ככל שנקודת הרוויה של HPA יכולה להתקרב להספק הממוצע שלו, כך יהיה ה-HPA יותר יעיל ויותר משתלם מבחינת העלות. ישנן טכניקות רבות המשמשות לשם הבאת נקודת הרוויה של ה-HPA קרוב ככל האפשר להספק הממוצע המשודר, אולם טכניקות אלה מוגבלות כולן על-ידי היכולת של המערכת למדוד את הספק המוצא. יש צורך להגדיל את ההספק המרבי המתוכנן של ה-HPA באפיצות מדידת ההספק RF (כולל שינויים בשל הטמפרטורה והיחס שיא-לממוצע) כדי להבטיח מסיכה ספקטראלית ותאימות EVM. דבר זה גורם שדיוק מערכת המדידה של ההספק RF הוא קריטי לשם הפחתת העלות והגדלת היעילות של HPA.
לא רק שלסכימת האפנון של ה-CDMA2000 וה-W-CDMA יש ערכי שיא-לממוצע גבוהים, אלא גם ערך השיא-לממוצע משתנה עם נפח השיחות של תחנת בסיס נתונה. ב-IS-95A של ה-CDMA2000, לדוגמה, גורם השיא של האפיק הקדמי הוא 6.6dB עבור הדגם הראשוני, ו-12dB עבור 64 ערוצים (ללא שימוש בהקטנת ה-CF). ערכי שיא-לממוצע גבוהים גורמים לשגיאות בגלאי הספק RF שלא מגיבים ל-RMS. יחס שיא-לממוצע גבוה של סכימת האפנון ניתן לכיול תוך כדי ייצור אם הוא קבוע, אולם שינויים ביחס שיא-לממוצע המבוסס על כמות המשתמשים הם יותר קשים לטיפול. דבר זה דורש לעקוב אחרי מספר המשתמשים במערכת, בקרה הדוקה על איזה קודי Walsh משתמשים, וטבלת חיפוש מאוד גדולה כדי לדעת את יחס השיא-לממוצע של האות בזמן מסוים. פיתרון טוב יותר הוא השימוש בגלאי המגיב ל-RMS. שלא כמו גלאי דיודה או מגברים לוגריתמיים, גלאים המגיבים ל-RMS הם חסינים במידה גדולה לשינויים בגורמי השיא (crest factors). איור 1 מראה את השגיאה של מגבר לוגריתמי בעל איכות גבוהה (AD8318) בהשוואה לזו של גלאי מגיב ל- (AD8364) כתוצאה משינוי בגורם הפסגה (העמסת המשתמש) בחלק השידור של תחנת בסיס IS-95A עם CDMA2000. שים לב שמוצא ה-AD8318 משתנה ב-3.5dB (או 86 מילי-וולט) בין CW ו-CDMA2000 IS-95A בעל 64 ערוצים
ו-2.4dB בין דגם בלבד ו-CDMA2000 IS-95A בעל 64 ערוצים, בשעה שמוצא ה-AD8364 משתנה ב-0.1dB (או 5 מילי-וולט) בלבד. גלאי דיודות מתנהג בדומה למגבר לוגריתמי בכך שמתח המוצא משתנה ביחס לגורם השיא של האות המגולה. אם היו משתמשים במגבר לוגריתמי עבור גילוי ההספק במערכת זו, היה צורך לבטל את השינוי של 2.4dB בהספק במגולה באמצעות עיבוד האות, או להוסיפו להספק המרבי המתוכנן ב-HPA.
השגיאות בגלאי RF המגיב ל- (AD8364) כנגד גלאי RF שאיננו מגיב ל-RMS מראות את ההשפעה של יחס השיא-לממוצע בגילוי ההספק. בעוד גלאי RF שלא מגיב ל- (AD8318) מציג שגיאת מדידה משמעותית בשעה שיחס השיא-לממוצע של אות המבוא שלו משתנה, גלאי RF המגיב
ל- (AD8364) הוא כמעט חסין לשינויים ביחס השיא-לממוצע.
היכולת למדוד במדויק את הספק ה-RMS בתחום טמפרטורת הפעולה של ה-HPA היא קריטית גם בקביעת ההספק המרבי המתוכנן של ה-HPA. יהיה צורך להוסיף את הדיוק של מדידה זו (או חוסר הדיוק) במישרין להספק המרבי המתוכנן, אלא אם יבוצע תהליך הכיול בטמפרטורה קשה ויקרה. כל הרכיבים המעורבים בגילוי הספק המוצא של ה-HPA (כלומר המצמד הכיווני, המנחתים וכד’) יכולים להוסיף שגיאות עקב הטמפרטורה, אולם מרביתן ישפיעו אך במעט על טמפרטורת הפעולה של ה-HPA. ככלל, דיוק המדידה של הספק המוצא בתלות בטמפרטורה של ה-HPA קשור ישירות לביצועי הטמפרטורה של ההתקן. בשנים האחרונות טכנולוגיית גילוי ה-RF צעדה צעדים גדולים בתהליך יצירת התקנים בעלי תגובות מאוד יציבות בטמפרטורה (מעל 5dB± מ-400C- עד +850C). איור 2 מציג את ביצועי הטמפרטורה של גלאי ההספק הכפול המגיב ל-RMS AD8364. נתונים אלה נמדדו ב- +250C (שחור), -400C (כחול) ו- +850C (אדום) בתדר של 450 מגה-הרץ. הם כוללים מתח ושגיאה בטמפרטורה (לאחר כיול סביבתי) כנגד הספק מבוא עבור לפחות 30 התקנים מאצוות ייצור מרובות. כל חלק מתנהג מעט שונה בטמפרטורה.
מתח המוצא ושגיאת תאימות ה-log של ה-AD8364 של Analog Devices לעומת Pin (ב-450 מגה-הרץ) מראים שינוי קטן מאוד כאשר הטמפרטורה נעה בין -400C עד +850C. דבר זה נכון עבור 30 התקנים שנלקחו מאצוות ייצור שונות, אם כי הביצועים שונים במעט בטמפרטורה.
לא רק שחיוני למדוד במדויק את הספק המוצא המרבי של HPA, אלא נחוץ גם למדוד את הספק המוצא בכל תחום הספק השידור של ה-HPA, אם כי הדיוק ברמות הספק נמוכות יותר איננו כה קריטי. אולם, הדיוק של המדידה בתחום דינמי רחב קשור לרזולוציה הן של הגלאי והן של ה-ADC. איור 3 מראה את המוצא של שני גלאים המגיבים ל-RMS, ה-AD8364 וה-ADL5500. ה-ADL5500 הוא ליניארי בוולטים RMS לאות המבוא RF, וה-AD8364 הוא ליניארי בהספק RMS (ב-dB) לאות ה-RF במבוא. על בסיס הדרישות לתחום דינמי ודיוק ברמות הספק נמוכות יותר, הרזולוציה הדרושה של ה-ADC המשמש ב-ADL5500 יכולה להיות הרבה יותר גבוהה מאשר עבור ה-AD8364. דרישות המערכת יכתיבו איזה גלאי/ADC יספק את הפיתרון היעיל ביותר לעלות והקל יותר ליישום בהתבסס על דרישות הדיוק ברמות הספק נמוכות יותר ותחום דינמי.
השוואה בין גלאי בעל מוצא ליניארי להספק RMS במבוא ב- (Analog Devices AD8364) וגלאי בעל מוצא ליניארי למבוא
ה- (Analog Devices 5500) מראה את ההבדל בתחום דינמי ומדגיש את הצורך של בחירת ADC בעל רזולוציה מתאימה.
במקרים מסוימים, בקרה מדויקת של ההספק או השבח של מערכת תוך שימוש בלולאת משוב אנלוגי עשויה לשפר את הביצועים ולהחליף את גילוי ההספק הפשוט. גלאים רבים המוצעים כיום יכולים לבקר את ההספק תוך שימוש בלולאת משוב אנלוגי (לדוגמה גלאי המשמש במוד הבקרה) בנוסף לגילויו. אם משתמשים בגלאי המגיב ל-RMS במוד הבקרה, ניתן לכוון את ההספק מאוד במדויק כנגד הספק מבוא, טמפרטורה וגורם השיא. הספק זה ניתן לכיוון מדויק מאוד והרמה שלו ניתנת להחלפה תוך שימוש במתח אנלוגי המבוקר על-ידי ADC. השימוש בגלאי הספק במוד הבקרה כדי לבקר במדויק את הספק המבוא או המוצא של HPA עשוי להיות יישום אידיאלי, מאחר והוא יבטל את הצורך לגלות את הספק המבוא או המוצא. במוד הבקרה, הגלאי קובע את ההספק במבוא שלו ומכוון VGA (או מנחת משתנה) עד שההספק המגולה זהה להספק שנקבע על-ידי מתח המבוא של בקרת ההספק. איור 4 מראה סכימה בסיסית של גלאי מגיב ל- (AD8364) המשמש במוד בקרה כדי לבקר את הספק המוצא. איור 5 מראה את הביצועים הכלליים של המעגל לעומת הספק המבוא והטמפרטורה כאשר ה-VGA מבוקר מצד אחד של AD8364
(גלאי log כפול מגיב ל-RMS). שים לב שניתן לחבר HPA בין ה-VGA והמצמד כל עוד רמת ההספק נקבעה נכון ב-AD8364, ושניתן להשתמש בכל VGA (או מנחת משתנה) אם מתחי הבקרה מכוונים נכון בינו לבין ה-AD8364 (יתכן שיהיה צורך במגבר שרת (אופרציונלי) כדי להפוך ו/או לשנות את הרמה של מתח הבקרה). אם רמות הבקרה בין הגלאי וה-VGA נקבעו בצורה נכונה ורמות ההספק מתוכננות נכון, תחום בקרת ההספק/תחום הספק המבוא השימושי יהיה קרוב לתחום הספק הגילוי של הגלאי (60dB במקרה של ה-AD8364).
במוד הבקרה הגלאי קובע את ההספק במבוא שלו ומכוון VGA (או מנחת משתנה) עד שההספק המגולה זהה לרמה שנקבעה על-ידי מתח המבוא של בקרת ההספק (VSTA).
כאשר צד אחד של גלאי הכפול המגיב ל-RMS AD-8364 של Analog Devices משמש לבקרת הספק המערכת, ההספק במבוא הגלאי (וב-Pout) נשאר קבוע לעומת הספק המבוא והטמפרטורה (פחות מ- ±1dB).
אפשר להשתמש גם בגלאי כפול מגיב על-RMS הפועל במוד בקרה כדי לבקר את השבח של MPA בדיוק רב כנגד הספק מבוא, טמפרטורה וגורם-השיא. אם השבח של מודול HPA מבוקר בדיוק מספיק כנגד הספק מבוא, טמפרטורה וגורם-שיא, אין צורך לדווח על הספק המוצא של מודול ה-HPA אך הוא יהיה קשור ישירות להספק המזין אותו. אם שני המבואות של הגלאי הכפול נמצאים במוד בקרה, הגלאי קובע את ההספק בכל מבוא ומכוון את השבח של VGA אחד עד שההספק הנמדד במבוא אחד זהה להספק בשני. איור 6 מראה סכימה בסיסית של ה-AD8364 (גלאי RMS כפול) המשמש לבקרת השבח של המערכת. איור 7 מראה את ביצועי התקן זה. כל דבר שיש לבקר במדויק צריך להיות כלול בין שני המצמדים. שים לב ש-VGA, מנחת משתנה או אף המשוב של ה-HPA יכולים לשמש לבקרת השבח. אם רמות הבקרה בין הגלאי וה-VGA נקבעו נכון ורמות ההספק מתוכננות נכון לכך, תחום הספק המבוא השימושי יהיה קרוב לתחום ההספק המגולה של הגלאי (60dB במקרה של ה-AD8364).
כאשר שני המבואות של גלאי כפול פועלים במוד בקרה, הגלאי יבקר VGA (או VVA וכד’) באופן שישווה את ההספק שהוא מגלה בשני המבואות RF. שבח המערכת ייקבע על-ידי המצמדים והמנחתים המשמשים לקביעת ההספק המגולה על-ידי הגלאי הכפול.
כאשר שני המבואות של הגלאי RMS הכפול (AD8364) נמצאים במוד בקרה, השבח מבוקר יותר טוב מ- ±15dB כנגד טמפרטורה והספק מבוא, עם תחום דינמי כמעט זהה לתחום הדינמי של גלאי ה-RMS.
ניתן לפתור רבים מהאתגרים הכרוכים לגילוי הספק RF עבור HPA המשמש במערכות CDMA2000 ו-W-CDMA בעזרת גלאי RF המגיבים ל-RMS. ניתנים כיום לנהל שינויים בהספק המגולה בשל ערכי שיא-לממוצע גדולים המשתנים עם העמסת תחנות הבסיס, תחומי טמפרטורת פעולה גדולים ותחומי הספק שידור גדולים. דרכים חדשות לבקרת ההספק והשבח בדיוק מספיק כדי לבטל את הצורך בגילוי ההספק הן עתה זמינות. כל הדברים האלה מאפשרים ליצרני HPA לצמצם עלויות ולשפר את אמינות ה-HPAs שלהם.
