Ενισχυτές ισχύος ασύρματων μητροπολιτικών δικτύων βασισμένων στο πρότυπο 802.16

Abstract

Broadband wireless terminals have experienced a significant growth permitting integration of multi-mode functionality (WLAN, UMTS, etc.) in a single handset. In such portable devices, reducing power dissipation prolongs battery life. As PAs dominate power consumption in many RF systems, employment of more efficient amplification schemes (e.g. Class AB, E, F) could alleviate this problem. However, reduction of the conduction angle of an RE amplifier poses the disadvantage of compromising linearity compared to a linear class-A amplifier at a given output power. A solution that allows linear - and at the same time - efficient amplification would therefore be of merit to RF power amplifier development. While inherently more nonlinear compared to the case of Class-A operation, power efficient PAs exhibit characteristics (e.g. self bias effect, gain expansion, IMD3 sweet spots) that can be exploited to improve power added efficiency and at the same time linearity. In this thesis, two main subjects are dealt with: power amplifier behavioral modeling and linear -high efficiency power amplifier design for wireless metropolitan networks. The availability of a PA behavioral model that permits effective control of PA nonlinear characteristics (e.g. self bias effect, gain expansion, IMD3 sweet spots), would be of merit to circuit and system designers since it would facilitate the identification of the PA specifications leading to optimum tradeoff between power dissipation and linearity. The first part of this work describes such a model. The new empirical RF PA behavioral model was developed through a progressive build-up of “forward” decoupled equations representing realistic PA behavioral characteristics such as, dc current dissipation, gain expansion and compression and IMD3. As such effects are inherently coupled in actual PAs, the model also employs feedback to establish the mutual nature of such dependencies without compromising its ability to individually control a certain nonlinear characteristic through certain sub-sets of model parameters. Employment of such model in wireless system design would allow the evaluation of the impact of PA nonlinearity on system performance as well as the identification of PA design specifications leading to optimum linearity and efficiency tradeoffs. In this direction, a WLAN 802.11a transmitter, oriented to assess the specification margins for a commercially off-the-shelf (COTS) PA, was simulated using the developed model. The PA parameterized model was adopted to co-simulate the EVM, as a result of the minor variations of the above described nonlinear characteristics relative to the nominal case. This method can eventually lead to the specifications margins of that particular PA. In the second part of this thesis, a new amplifier linearization technique is proposed. The technique relies on the direct manipulation of the power transistor’s average input current to accomplish good efficiency at low output power levels without compromising linearity at higher output power levels. The technique is based on the re-use of self bias resulting in improving the 1-dB compression point of the amplifier without compromising efficiency at low RF drive power levels. The circuit which is used, supplies the PA with an appropriately multiplied replica of the net current increase due to self bias. The latter current is isolated and fed back into the base of the power amplifying transistor. At low output power levels this extra current is negligible and increases at high output power levels. Thus, at low power levels the quiescent current remains low minimizing power dissipation, while at high power levels it increases to an adequate amount that permits the PA to improve its power capability by extending its 1-dB compression point. In other words, efficiency is preserved at low output power levels while power capability is improved at high output power levels. The measurements preformed on the prototype that was designed and built confirmed the functionality of the technique.

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.