Optymalizacja mocy promieniowanej w mobilnych urządzeniach komunikacji bezprzewodowej

Użycie pomiędzy akumulatorem a wzmacniaczem mocy cyfrowego przetwornika DC/DC, o dynamicznie regulowanym napięciu wyjściowym, umożliwia zwiększenie sprawności połączenia bezprzewodowego i przedłużenie czasu działania urządzenia z baterii. W wielu stopniach nadajników w.cz. o mocy do 1-2 W stosowane są liniowe wzmacniacze mocy klasy A lub AB o stosunkowo niskiej sprawności przy maksymalnej mocy wyjściowej i jeszcze niższej sprawności przy małej mocy wyjściowej.

Zasilane w trybie nadawania bezpośrednio z akumulatora, wyczerpują dużą część jego ładunku i ograniczają znacznie czas działania. Jednym ze sposobów zmniejszenia strat mocy we wzmacniaczu mocy w.cz. jest zastosowanie układu dwustopniowego. W rozwiązaniu tym oba te stopnie, małej i dużej mocy, działają z wysoką sprawnością.

Rys. 1. Dwu- lub wielostopniowe wzmacniacze mocy o różnym wzmocnieniu dla trybów nadawania o niskiej, średniej i wysokiej mocy są droższe od wzmacniaczy jednostopniowych

Rys. 2. Dwustopniowy wzmacniacz wyposażony w czujnik wysyłanej mocy. Wzmacniacze niższej i wyższej mocy są obciążone właściwą impedancją, co zapewnia im dobrą sprawność

Moc emisji takiego dwoistego wzmacniacza zwiększa się do wymaganego poziomu z początkiem nadawanego pakietu, a wraca do poziomu niskiego z jego końcem. Dwu- lub wielostopniowe wzmacniacze (rys. 1) służą do różnych trybów transmisji, o niskiej, średniej lub wysokiej mocy. Są one droższe od wzmacniaczy jednostopniowych.

Zespolenie dwóch, włączanych przemiennie równoległych i odpowiednio obciążonych, wzmacniaczy - jednego dla mocy nadawania mniejszej od 16 dBm, a drugiego dla większej - zwiększa sprawność z zachowaniem liniowości w obu trybach transmisji (rys. 2). W tradycyjnych wielostopniowych wzmacniaczach mocy w.cz. wszystkie stopnie są zasilane bezpośrednio z akumulatora, niezależnie od mocy promieniowanej.

Mieszczący się w wybranym punkcie wzmacniacza czujnik mocy (sprzęgacz) próbkuje sygnał, a sprzężenie zwrotne wysyła tę informację do procesora, który ustala poziom nadawanej mocy zgodnie ze specyfikacją systemu. Moc w.cz. promieniowana przez większość cyfrowych urządzeń komunikacyjnych (np. telefonów komórkowych) jest tak regulowana, aby ich sygnał był odbierany zawsze przy tym samym stosunku sygnału do szumu.

Wprowadzony do wzmacniacza szeregowy rezystor, generujący sygnał proporcjonalny do nadawanej mocy, obniża nieco sprawność transmisji. A w przypadku niedoskonałego sprzężenia wzmacniacza z obciążeniem sygnał ten może błędnie odzwierciedlać moc promieniowaną. Alternatywnym rozwiązaniem jest umieszczenie pomiędzy akumulatorem a wzmacniaczem mocy w.cz. regulowanego impulsowego przetwornika DC/DC, służącego do sterowania mocą nadawania (rys. 3).

POA wzmacniacza mocy wyraża stosunek różnicy wyjściowej i wejściowej mocy w.cz. do pobranej mocy DC. Obniżanie napięcia wyjściowego przetwornika, który zasila wzmacniacz, obniża jego moc wyjściową, równocześnie podwyższając POA. Spada wtedy natężenie prądu czerpanego z akumulatora przez przetwornik i wzmacniacz. Sprawność wzmacniacza jest w ten sposób optymalizowana dla wszystkich poziomów transmisji.

Rys. 3. Bezpośrednie zasilanie wzmacniacza mocy z akumulatora można zastąpić zasilaniem przez przetwornik DC/DC o regulowanym napięciu wyjściowym, optymalizując jego sprawność

Rys. 4. Stacja bazowa mierzy moc odbieranego sygnału telefonu komórkowego i wysyła do niego polecenie odpowiedniej jego zmiany. Procesor ustala poziom sygnału sterującego przetwornikiem DC/DC i za pośrednictwem zmiany jego napięcia dobiera wymagane wzmocnienie mocy. Zwiększa w ten sposób sprawność emisji

Rys. 5. Częstotliwość kluczowania wyższa od 6 MHz zmniejsza wpływ harmonicznych w pasmach w.cz.

Na rysunku 4 przedstawiono sposób działania stacji bazowej BTS, która po zmierzeniu siły sygnału nadawanego przez telefon wysyła do niego polecenie odpowiedniej jego zmiany. Procesor komórki wybiera z tablicy przeglądowej DAC poziom sygnału sterującego przetwornikiem DC/DC i za pośrednictwem jego napięcia dobiera wymagane wzmocnienie mocy.

Poziom promieniowanej mocy w.cz. musi się tak zmienić, aby osiągnąć specyfikowaną wielkość ACPR/ ACPL. Jest to stosunek gęstości widmowej mocy w kanale głównym do gęstości widmowej mocy o innych częstotliwościach. Spełnienie tego wymagania, czyli osiągnięcie około -39 dBc, poprawia jakość głosową połączenia i minimalizuje zniekształcenia zakłócające sąsiednie kanały łączności.

W ten sam sposób, gdy na podstawie pomiaru sygnału komórki stacja bazowa poleca jej zmienić częstotliwość połączenia, jej procesor tak dostosowuje wzmocnienie wzmacniacza mocy w.cz., aby jego sprawność była optymalna. Obniżające przetworniki DC/DC do zasilania sekcji wzmacniania w.cz. muszą spełniać kilka podstawowych wymagań.

Moc wyjściowa wzmacniacza mocy wynosi często 5-10 dBm, czyli 3,2-10 mW, a nierzadko 27 dBm, czyli 550 mW, zatem przetwornik DC/DC powinien mieć wysoką sprawność w szerokim zakresie obciążeń. Jego częstotliwość przetwarzania musi być większa od 6 MHz, zależnie od pasma częstotliwości, dzięki czemu zakłócający wpływ harmonicznych pojawiających się w wyjściowym sygnale w.cz. jest mniejszy (rys. 5).

Szeregowa rezystancja przewodzenia tranzystora MOSFET w konwerterze powinna być możliwie niewielka, mniejsza od 35 mW. Gdy napięcie akumulatora jest niskie, niska rezystancja RDS(ON) pozwala na wykorzystanie pełnego napięcia akumulatora litowo-jonowego.

Rys. 6. Dynamiczna regulacja napięcia zasilającego wzmacniacz umożliwia poprawę jego sprawności

Rys. 7. Kluczowym parametrem impulsowego przetwornika DC/DC, zasilającego wzmacniacz mocy w.cz., jest czas przerzutu napięcia sterującego, bez przerzutu ani opóźnienia, w wymaganym czasie

Gdy przetwornik DC/DC działa z częstotliwością 6 MHz, zakłóceń przypadkowych jest mniej niż przy niższych częstotliwościach, a dynamiczna regulacja jego napięcia wyjściowego, zasilającego wzmacniacz mocy, zapewnia mu lepszą sprawność (rys. 6).

Ważna jest także duża szybkość jego włączania. Kluczowym parametrem przetwornika impulsowego DC/DC do zasilania wzmacniacza mocy w.cz. jest całkowity czas zmiany napięcia sterującego, bez przerzutu i bez opóźnienia, w wymaganym czasie (rys. 7).

KKP