High-Performance Control in Radio Frequency Power Amplification Systems

摘要

Nærværende afhandling præsenterer et bredt studie af metoder til effektivitetsforøgelse i smalbånds-radio-sendere. Den centrale anvendelse er basestationer til TETRA/TEDS-netværk. I hovedsag studeres løsningsrummet bestående af en lineær klasse-A/B RF-effektforstærker udstyret med en "envelope tracking" spændingsforsyning og linearisering ved hjælp af "cartesian feedback"- teknikken. På systemniveau demonstreres "envelope tracking"-teknikken at være særdeles effektiv i forbindelse med RF-signaler med høj spids/middel-effekt, såsom TEDS med 10dB. Det demonstreres også, hvorledes teknikken kan introducere en række potentielle problemer i form af forsyningsintermodulation (PSIM) og reduceret linearitet i RF-effektforstærkeren. Endvidere understreges indvirkningen af "envelope tracking" spændingsforsyningens udgangsimpedans. Til trods for en høj reguleringsbåndbredde kan denne ikke samtidig kan have en meget lav udgangsimpedans. På blokniveau foreslås og demonstreres løsninger til implementering af "envelope tracking" spændingsforsyninger med fokus på buck-topologier. En række af disse undersøges og sammenlignes med henblik på at illustrere de afvejelser, der skal foretages imellem båndbredde, skiftefrekvens og ripple-spænding. Det vises, at den simple en-fasede buck-topologi med fjerdeorders udgangsfilter er ideel til TETRA – og TEDS -anvendelser. Det overordnede problem bestående i at opnå maksimal reguleringsbåndbredde, givet en bestemt konvertertopologi, behandles dybdegående. En mængde sandsynligvis ny viden på området præsenteres. Det vises, at selvsvingende reguleringsteknikker udgør vejen til den højest mulige reguleringsbåndbredde. Også inkluderet er et studium af de begrænsende faktorer i effektiviteten af "cartesian feedback" (CFB.) Det vises, at reguleringsbåndbredder på over 4MHz kan opnå ved 400MHz bærebølgefrekvens ved brug af lettilgængelige diskrete komponenter. Højere CFB-båndbredde er nøglen til et fleksiblt RF-effektforstærkersystem, der kan transmittere flere bærebølger samtidig. En række kritiske områder i reguleringssystemet identificeres. I praksis demonstreres en høj-effektiv 25W TEDS radiosender, som møder alle nabokanaleffekt (ACPR) – og bredbåndsstøjs (WBN) -specifikationer. Effektforstærkerens virkningsgrad forøges fra 23 % til 44 % - næsten en fordobling - til den beskedne pris af en en-faset buck-konverter og vel at mærke uden væsentlig forringelse af renheden af det afsendte RF-signal.