بخشی از مقاله
چکیده -
تقویت کننده های توان یک بخش کلیدی در هر فرستنده هستند، که پرمصرفترین بلوک فرستنده می باشند. تقویت کننده توان المان اصلی برای ساختن سیستم های ارتباطی بی سیم می باشد. برای حداقل کردن تداخل و طیف رشد ترانزیستورها باید خطی باشند .تقویت کننده مدار پیشنهادی با استفاده از نرم افزار ADS Agilent بر مبنای تکنولوژی GaAs-PHEMT با نام MRFG35010 ساخت شرکت MOTOROLA است. تقویت کننده توان پیشنهادی با استفاده از کلاس F در فرکانس مرکزی 2.14GHz با توان خروجی 36dBm طراحی شده است.
-1مقدمه
یکی از اهداف مهم در طراحی تقویتکنندههای RF حداکثر نمودن بازدهی توان افزوده میباشد. تقویت کننده توان یک مدار غیر خطی است که قادر به تقویت سیگنال های 'بزرگ' در یک فرکانس داده شده در یک باند فرکانسی داده شده هست. تقویت کننده های توان یک توان تغذیه DC را به یک مقدار خاصی از فرکانس رادیویی - - RF و یا توان مایکروویو تبدیل می کنند.
تولید توان / RF مایکروویو نه تنها برای سیستم های انتقال بی سیم، بلکه برای برنامه های کاربردی مانند پخش کننده پارازیت، تصویربرداری و گرمایش RF مورد نیاز است. توپولوژی های زیادی برای تقویت کننده های توان وجود دارد و تکنیک هایی که برای کاربردهای مختلفی می تواند مورد استفاده قرار گیرد. اساس ساختمان تقویت کننده های توان قطعه فعال - ترانزیستور - است، که نقش اصلی در تعیین قابلیت های تقویت کننده های توان از لحاظ توان خروجی، بهره، بازدهی، خطسانی و پهنای باند را بازی می کند. توپولوژی های مختلف قطعات دو قطبی و اثر میدانی در ده های اخیر برای مطالبات سیستم های ارتباطات توسعه یافته اند.
یکی از ویژگی های مخابرات امروزی ارائه انواع سرویس ها از قبیل تلفن ، اینترنت و خدمات چند رسانه ای است. انتقال داده های دیجیتال با سرعت بالا، تعداد کانال های ارسال و دریافت و پهنای باند مناسب منجر به گسترش سیستم های ارتباطی - 3G - و - 4G - شده است. در این میان، سیستم های WIMAX، W-CDMA، CDMA، EDGE، GSM1800 و LTE جایگاه خود را تثبیت کرده اند. سیستم های ارتباطات بی سیم مدرن استاندارد مورد نیاز برای نسل سوم - 3G - و نسل چهارم - 4G - در طراحی ایستگاه پایه و گوشی فرستنده دچار چالش هایی هستند.
این سیستم های ارتباطی از نرخ داده بالا و طرح های مدولاسیون دیجیتال طیفی کارآمد استفاده می کنند. سیگنال های حاصل شده برای برقراری ارتباط به پاکت های مختلفی با سرعت بیش از یک رنج دینامیکی گسترده نیازدارند، که در نتیجه آن به سطوح بالایی از نسبت متوسط حداکثر توان نیازدارند. برای جلوگیری از قطع سیگنال و گسترش طیفی آن، این سیگنال باید بصورت خطی تقویت شود.
بنابراین، واحد تقویت کننده توان به مقدار قابل توجهی بازگشت به عقب خواهد داشت، که به نوبه خود در نتایج تاثیر گذاشته و بازدهی بسیار پایین است. عملکرد با بازدهی کم در ایستگاه پایه به نوبه خود طول عمر قطعات را کاهش و هزینه های زیرساختی و عملیاتی را افزایش می دهد. با استفاده از این موضوع، تقویت کننده توان مهم ترین بخش در فرستنده است. تقویت کننده های توانی که بین بازدهی و خطسانی یک سازش خوب ایجاد می کنند، برای سیستم های ارتباطی مدرن بسیار مهم هستند.
-1 طراحی تقویت کننده توان RF
مراحل طراحی یک تقویت کننده توان RF در شکل 1 نشان داده شده است. با توجه به این شکل بعد از تعیین مشخصات طراحی باید یک قطعه مناسب برای تقویت کننده انتخاب کرد. این قطعه باید قابلیت استاندارهای مورد استفاده را پوشش داده و در صورت ساخت تقویت کننده، قابل دسترس باشد. بعد از انتخاب قطعه مراحل تحلیل DC و AC و محاسبات نقطه کار مناسب تقویت کننده برای کار در کلاس مورد نظر است. در این مرحله طراح علاوه بر مشخصات ذکر شده مقادیر دیگری نظیر ،پارامترهای S و... قابل محاسبه است.
در مرحله سوم آزمایشات کشش بار و منبع برای بدست آوردن امپدانس بهینه خروجی و ورودی ترانزیستور برای دسترسی به راندمان بالاتر انجام می شود. از مقادیر بدست آمده در قسمت قبل می توان شبکه های تطبیق ورودی و خروجی تقویت کننده را طراحی و در نهایت بهینه سازی کرد . سپس به محاسبه خروجی های مهم نظیر PAE ، DE ، Pout ، Gp ، IMD3 و ... می پردازیم .
شکل : 1 مراحل طراحی یک تقویت کننده توان RF
1-2 مشخصات طراحی
مشخصات طراحی یک تقویت کننده توان بیش از 4 وات برای کار در فرکانس 2.14GHz در جدول 1 نشان داده شده است. حداقل تلفات بازگشتی در ورودی و خروجی برابر 10dB می باشد. این در حالی است که متوسط بهره توانی تقویت کننده باید بیشتر از 10dB باشد.
جدول : 1 مشخصات طراحی تقویت کننده توان RF
2-2 انتخاب مدل قطعه
در این پروژه از یک مدل آماده ترانزیستور GaAs-PHEMT با نام MRFG35010 ساخت شرکت MOTOROLA استفاده می کنیم. این ترانزیستور یک ترانزیستور 10W ولتاژ پایین است که برای کاربردهای بی سیم طراحی شده است و برای این طرح بسیار مناسب است. در اکثر تقویت کننده های توان ولتاژ تغذیه مورد نیاز تقویت کننده بالاتر از 25 ولت DC می باشد. که این امر خود هزینه تولید و توان مصرفی تقویت کننده را افزایش می دهد . در این پروژه ولتاژ مورد نیاز قطعه توان بین 8 الی 12 ولت می باشد. این امر منجر به صرفه جویی 50 درصدی در منبع تغذیه مورد نیاز دارد . از آنجایی که مدل قطعه برای ADS قابل دسترسی می باشد، طراحی با مشکل عدم وجود کیت طراحی روبرو نیست.
3-2 تحلیل DC و محاسبه نقطه کار ترانزیستور
مشخصه I\V ترانزیستور توان در شکل 2 و 3 نشان داده شده است که برای دسترسی به جریان مناسب محدوده ولتاژ گیت سورس مشخص شده است. در این مرحله به انتخاب نقطه کار و تعیین کلاس تقویت کننده به وسیله شبیه سازی DC می شبیه سازی کشش منبع برای پیدا کردن مقدار بهینه امپدانس پردازیم . در طرف منبع بکار برده می شود که هدف از آن به حداقل رساندن تلفات بازگشتی در ورودی است. نتیجه شبیه سازی کشش منبع - - z = 1.282 - j2.737 در شکل 5 نشان داده شده است.
شکل : 2 مدار تحلیل DC
شکل : 3 انتخاب نقطه کار و تعیین کلاس تقویت کننده
شکل : 4 پاسخ شبیه سازی کشش بار
شکل : 5 پاسخ شبیه سازی کشش منبع
5-2 مدار نهایی تقویت کننده توان طراحی شده
مدار نهایی تقویت کننده در شکل 6 نمایش داده شده است. برای اتصال ترانزیستور در درین و گیت پد های مورد نیاز تعبیه شده است. همچنین برای اتصال کانکتور SMA در ورودی و خروجی پد هایی در نظر گرفته شده است. شایان ذکر است هر کدام از این پدها دارای تلفات بوده و در طراحی مد نظر گرفته شده اند.
4-2 تحلیل کشش بار و منبع
شبیه سازی کشش بار برای پیدا کردن مقدار بهینه بار بکار برده می شود که هدف از آن به حداکثر رساندن توان و بازده خروجی است ، یا رسیدن به یک مصالحه بین هر دو . نتیجه شبیه سازی کشش بار - - Z = 7.150 + j 1.583 در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل : 6 مدار نهایی تقویت کننده توان طراحی شده شده است.
-2 نتایج شبیه سازی
در شکل 7، 8 ، 9 پاسخ پارامترهای S نشان داده شده است. مقادیر S11 ، S22 و S21 نشان دهنده طراحی مدار در کلاس F می باشد
