בקרב מהנדסי ה-RF, הייתה מאז ומתמיד הילה של כבוד ומסתורין סביב תחום מגברי ההספק. תחום המגברים הוא תת דיסציפלינה חשובה, הקיימת בכל מערכת שידור כגון: תחנות בסיס סלולאריות, תקשורת לוויינית, תקשורת טקטית ועוד.
ניתן לומר ששתי התכונות החשובות ביותר למגברים אלו הן נצילות אנרגטית ולינאריות.
שתי תכונות אלו מהוות בסיס למחקר ופיתוח מתמיד, הנדחף ע”י התקדמות התקשורת הדיגיטלית אשר היא עצמה מונעת מהצורך ברוחבי סרט (קצבי מידע) הגדלים בצורה אקספוננציאלית.
מהימים הלא רחוקים של 2G ועד היום ב- 5G , אנחנו כבר רואים עלייה של פי 10,000 בקצבי המידע של ערוצים סלולריים והזרוע עדיין נטויה.
לא רק שרוחבי הסרט המשודרים גדלו, גם המודולציות (אפנון) המשודרות התפתחו כדי לשפר את הנצילות הספקטראלית. סערה מושלמת כדי להתמודד עם עולם שבו הספקטרום הינו משאב יקר ומוגבל.
לינאריזציה הינה הכרחית על מנת לתקן את העיוותים הלא ליניאריים (non-linear distortion) של מגברי ההספק וגם לשיפור הנצילות שלהם.
להמחשה, ניתן להסתכל על ספקטרום של מגבר הספק מסוג Doherty , טופולוגיה המשמשת לשיפור נצילות של מגבר הספק ב- back-off משמעותי מנקודת הרוויה שלו:
ה-ACPR וה-EVM הן שתי מטריקות חשובות, אשר להן דרישות מחמירות בתקני ה- 5G . ניתן לראות שעיוותים לא לינאריים יגרמו לשגיאות בפיענוח של הסימבולים המשודרים (EVM ). ה- ACPR מייצג את מידת ההפרעה לערוץ השכן – העיוותים הללו גורמים לצמיחה ספקטרלית של הסיגנל המשודר וזולגים לאזור של הערוץ השכן.
שיטות לינאריזציה מובילות:
DPD:
השיטה הנפוצה ביותר והדומיננטית למשדרי 4/5G היא DPD (Digital pre-distortion ).
כפי ששמה מרמז התיקון מתבצע ברמה הדיגיטלית, לפני ייצור הסיגנל האנלוגי.
ה-DPD מייצר עיוות הופכי בכניסה למגבר (pre distortion), כך שיתקן ולמעשה יעוות בחזרה את מוצא המגבר ליצירת סיגנל נקי.
עד לשנים האחרונות לפני הופעת ה- 4/5G , רוחבי הסרט המשודרים היו עד כ- 10MHz . כעת הדרישה היא 100-1000MHz . המשמעות היא שקצבי העיבוד הדיגיטלי הנדרשים לעמוד בהם גדלים פי 100 . כמו כן, הארכיטקטורה המסורתית של DPD דורשת רוחב סרט הגדול פי 5 מהרוחב של הסיגנל המשודר הן במסלול הדגימה והן במסלול הראשי. כלומר, המסלול האנלוגי כולל ה- DAC, ADC יצטרכו לתמוך ברוחבי סרט של 5GHz ויותר.
נכון לימים אלו, שיפור ביצועי ה-DPD ושיטות אופטימיזציה להקטנת רוחב הסרט של ה-DAC וה-ADC הן בחזית המחקר של יצרני התשתיות הסלולאריות כגון אריקסון ונוקיה.
בשנים האחרונות ובכלל, החומרה הדיגיטלית אינה מתפתחת בקצב המתאים לחוק מור (Moore’s law) שצפה הכפלה בצפיפות הטרנזיסטורים כל שנתיים וחצי.
ככל הנראה החומרה הדיגיטלית עבור DPD מתקשה לעמוד בביצועים הנדרשים לרוחבי סרט גבוהים, ויתכן שמכאן נובעת התקינה המוחלשת ל- 5G mm-waves שבה רוצים לשדר רוחבי סרט של 1GHz ויותר. המשמעות היא שידור רחב סרט שהינו נציל פחות ספקטראלית, ולכן דורש פחות תיקון.
עדיין, DPD היא השיטה הנפוצה וככל הנראה המאמץ לפרוץ את רוחב הסרט ימשיך להתמקד בשיטה זו.
Feedforward correction (FF)
שיטה אנלוגית ותיקה שדעכה עם השנים עכב ההתמקדות בשיטות הדיגיטליות.
ל- FF יש יתרון ברור ביכולת לטפל ברוחבי סרט גדולים בגלל האופי האנלוגי שלה. המורכבות של המעגלים האנלוגיים והשליטה בהם היא גבוהה. הלולאה הראשונה ב-FF מייצרת את סיגנל השגיאה ע”י חיסור של דגימה ממוצא מגבר ההספק (שגיאה +סיגנל נקי) מדגימה של סיגנל הכניסה הנקי.
הלולאה השנייה לוקחת את סיגנל השגיאה, מגבירה אותו ומחסרת אותו ממוצא המגבר וכך נותר בתאוריה רק הסיגנל הנקי המוגבר. הסיבוכיות של השיטה נובעת מהצורך בדיוקיי פאזה, אמפליטודה והשהייה חשמלית גבוהים. כמו כן נדרש שטח כרטיס נוסף לרכיבים האנלוגיים של לולאות התיקון, הכולל מגבר שגיאה.
רוחב הסרט הגבוה ביותר עד כה הודגם בסטארט-אפ הישראלי Exband Networks אשר התבסס על טכנולוגית ה-FF הישנה עם מספר פריצות דרך והראה 300MHz רוחב סרט משודר העומד בתקינת 5G עם מגבר GaN של 40 וואט.
לשיטה יש יתרון מעניין ולרוב לא מוכר דווקא בתדרים הגבוהים יותר של הגלים המילימטריים. בגלל האופי האנלוגי של השיטה, ה-fractional BW הוא זה שקובע את מגבלות התיקון. למשל, Exband Networks שהדגימה 300MHz BW סביב תדר 2.6GHz , מוכיחה כי תיקון דומה ברוחב סרט של 3GHz יכול להתבצע בתדרי 26GHz ומעלה! זו יכולת לינאריזציה רחבת סרט חסרת תקדים, אין לצפות ש-DPD יתקרב לזאת בזמן הקרוב.
Analog Pre-distortion (APD)
APD היא שיטה אנלוגית נוספת של לינאריזציה. היתרון בה הוא מורכבות מערכתית נמוכה יותר באופן יחסי. ה-APD מבצע עיוות מקדים בסיגנל ה-RF האנלוגי לפני כניסתו למסלול ההגברה. כמו ב-DPD , גם כאן מדובר בעיוות כניסה ההופכי לזה שהמגבר הספק מייצר, וכך מתקבל סיגנל נקי.
לשיטה יש פוטנציאל לרוחבי סרט גבוהים כיוון שהיא אנלוגית, אבל גם כאן נדרש ניטור ודיוק חומרתי גבוה על מנת לקבל ביצועים. ישנם כיום רכיבי (IC’s )מדף המספקים פתרון APD הדורש אינטגרציה ברמת ה-board design ומערכת הבקרה, ומספקים פתרון טוב לסיגנלים ברוחבי סרט של עד 100MHz . שטח הכרטיס הנוסף למימוש שיטה זו אינו משמעותי.
סיכום:
לינאריזציה רחבת סרט של מגברי הספק נותרה תחום מאתגר במגברי ההספק שבו נדרשים שיפורים גדולים על מנת לעמוד בביצועי תשתיות התקשורת בעתיד.
מכל השיטות שהוצגו, עיקר מאמצי הפיתוח מתרכזים ב-DPD עכב הדומיננטיות שלו בשוק וארכיטקטורת המערכת הקיימת התומכת בו.
שיטת ה- Feed forward היא אולי בעלת רוחב הסרט הגדול ביותר מכולן, אבל דורשת תכנון חומרת RF מורכב יותר. המורכבת ותוספת החומרה למשדר ה-RF אינה עולה גם בקנה אחד עם ארכיטקטורת ה- massive MIMO 5G מרובת האלמנטים (64,128 ) שבה נדרש צמצום שטח המשדר בגלל הקרבה של האלמנטים.
יש לזכור, קיימת אלטרנטיבה לליניאריזציה שבה משתמשים במגברים לינאריים (ללא תוספת לינאריזציה) העובדים ב- class-A עם back-off גבוה, אבל ה- trade off יהיה בנצילות הסופית של המגבר, אשר יכולה להיפגע פי 3-5 ובכך נפסלת לשימוש ברוב היישומים. למשל מגבר הספק של 40 וואט נציל יכול לעבוד בנצילות של 40% ובכך לצרוך כ- 100 וואט. אם משתמשים במגבר לינארי (ללא לינאריזציה) נקבל צריכת הספק של כ- 400 וואט או נצילות של 10% .
על רדיון:
חברת רדיון בהובלת אופיר גילת, מתמחה במתן שירותי פיתוח של חומרת RF(Board design ) למגוון יישומים כגון 5G , רדארים, תקשורת לוויינית, IOT , העברת אנרגיה אלחוטית, מכשור רפואי ועוד..
אופיר גילת, מנכ”ל חב
Raddion Innovative RF desig
רדיון מבצעת R&D בהתאם לצרכי הלקוח, החל מהנדסת המערכת, תכנון מפורט ועד הבדיקות הסופיות לאחר הייצור. ניתן לקבל תמיכה גם לפרויקטים קיימים, איתור תקלות, בדיקות וניסויים.
בין לקוחותינו:
RADA electronics Industries, Kratos GMI, Nyxoah biomed, Corning mobile-access
