بخشی از مقاله
چکیده
تقویت کننده های توان یک بخش کلیدی در هر فرستنده هستند،که پرمصرف ترین بلوک فرستنده می باشند. کاهش این توان مصرفی و افزایش راندمان در دهه اخیر بسیار مورد توجه بوده است. تقویت کننده توان المان اصلی برای ساختن سیستم های ارتباطی بی سیم می باشد. درطراحی های فرستنده و گیرنده های بی سیم به دلیل خطی بودن بالاو راندمان نسبتا بالا کلاس AB به طورگسترده استفاده می شود.
دراین مقاله یک تقویت کننده توان×گسسته با استفاده از نرم افزارADS بر مبنای تکنولوژیGaAs-PHEMT شبیه سازی شده است. قطعه استفاده شده در این پروژه برای کاربردهای بی سیم طراحی شده و با حداکثر ولتاژ 12ولت کار می کند که با حدود یک آمپر جریان قادر به تامین 10 وات توان خروجی می باشد. ولتاژ راه اندازی بسیار پایین کار ما باعث صرفه جویی خوبی در تغذیه شده و حجم نهایی تقویت کننده توان را کاهش می دهد. تقویت کننده توان پیشنهادی با استفاده از کلاس AB در فرکانس 1,489 گیگا هرتز با بازده % 66,7 و توان خروجی 10 وات طراحی شده که برای اکثر استاندارد های مخابراتی مناسب است .
.1 مقدمه
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 پهنای باند مناسب منجر به گسترش سیستم های ارتباطی نسل سوم - 3G - و نسل چهارم - 4G - شده است - . - Reinhold Ludwig and Pavel Bretchko,2012 سیستم های ارتباطات بی سیم مدرن استاندارد مورد نیاز برای نسل سوم و نسل چهارم 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. 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 وبازدهی بسیار پایین است. عملکرد با بازدهی کم در ایستگاه پایه به نوبه خود طول عمر قطعات را کاهش و هزینه های زیر ساختی و عملیاتی را افزایش می دهد.
تقویت کننده های توانی که بین بازدهی و خطسانی یک سازش خوب ایجاد می کنند، برای سیستم های ارتباطی مدرن بسیار مهم هستند - M. Roberg and J Hoversten, 2010 - .اساس ساختمان تقویت کننده های توان قطعه فعال 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.
در این میان ، تکنولوژی GaN HEMT ثابت کرده که یک جایگزین بسیار خوب برای تکنولوژی های معمولی Si وGaAs است. خواص مواد برتر GaN همراه با مزایای فناوری HEMT در طراحی قطعاتی با چگالی توان بالا، بازدهی بالا، قابلیت افزایش پهنای باند و عملکرد فرکانس بالا ایجاد کرده است . - J. Flucke and C. Meliani , 2007 - از جمله شرکت های تاثیر گذار و پیشرو در این زمینه دو شرکت TRIQUINT و CREE هستند
در مقاله های ارائه شده در زمینه تقویت کننده های توان از آی سی های این دو شرکت بصورت مستقیم استفاده شده است، که این امر برای ما بدلیل نداشتن مدل کیت طراحی ترانزیستورهای GaN ممکن نمی باشد. به همین به همین دلیل در شبیه سازی ها از یک مدل آماده ترانزیستور GaAs-PHEMT استفاده شده است . از آن جایی که مدل قطعه برای ADS قابل دسترسی می باشد، طراحی با مشکل عدم وجود کیت طراحی روبرو نیست. در این پروژه ما از فرکانس 1,489 گیگاهرتز استفاده می کنیم . این فرکانس برای کار در باند L استفاده می شود، که از موارد استفاده آن در رسد ماهواره ای سیارGSO ، آنتن های رهگیری زمینی و خودپردازهای سیار بانکی است.
.2 طراحی تقویت کننده توانRF
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 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 تقویت کننده توان مورد نیاز 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 . رعایت پهنای باند برای استاندارد مربوطه بسیار حائز اهمیت می باشد .
جدول : 1 مشخصات طراحی تقویت کننده توان مورد نیاز
