خطیسازی تقویتکنندههای توان بالای فرکانس رادیویی (RF) به روش پیشاعوجاج با تولید اعوجاج مکعبی ترانزیستورهای ماسفت
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوتر
محمدیونس انصاری موحد
1
,
محمدرضا متولی کسمائی
2
1 - دانشکده فنی و مهندسی، گروه برق، دانشگاه قم، قم، ایران
2 - دانشکده فنی و مهندسی، گروه برق، دانشگاه قم، قم، ایران
کلید واژه: تقویت‌کننده توان بالای غیرخطی, روش پیشاعوجاج, اعوجاج مرتبه سوم و پنجم, اعوجاج مکعبی,
چکیده مقاله :
در این مقاله به روش پیشاعوجاج و با تولید اعوجاج مکعبی به وسیله ترانزیستور ماسفت، مؤلفه اعوجاج مرتبه سوم (IMD3) و پنجم (IMD5) یک تقویت‌کننده غیرخطی توان بالای فرکانس رادیویی کاهش می‌یابد. روش پیشاعوجاج در خطیسازی تقویتکنندههای توان بالای فرکانس رادیویی برای سیستمهای مخابراتی کاربردهای فراوانی دارد. ساختار این روش پیچیده نیست و می‌تواند به سادگی برای خطیسازی تقویتکنندههای غیرخطی مورد استفاده قرار گیرد. در این روش، اعوجاجی به‌عنوان اعوجاج مکمل در ورودی یک تقویت‌کننده غیرخطی قرار می‌گیرد تا با جمع دو اعوجاج (یعنی اعوجاج ناشی از خود تقویت‌کننده غیرخطی و اعوجاج مکمل ناشی از المان غیرخطی دیگر) تقویت‌کننده غیرخطی را خطی کند. میزان خطیسازی با این روش اگرچه خیلی قابل ملاحظه نیست، اما همین میزان خطیسازی هم برای بسیاری از سیستمهای مخابراتی کافی است. مزیت عمده این روش سادگی مدار، بازدهی بالا و توانایی خطیسازی در یک پهنای باند فرکانسی نسبتاً بزرگ است. در این مقاله مقدار خطیسازی سیگنال‌های اعوجاج مرتبه سوم و پنجم تقویتکنندههای توان بالا نسبت به کارهای مشابه قبلی بهتر شده و نتایج به کمک نرم‌افزار ADS نشان داده شده‌اند.
In this paper, the third-order (3IMD) and fifth-order (5IMD) distortion components of a high-power radio frequency nonlinear amplifier are reduced by the predistortion method and by generating cubic distortion using a MOSFET transistor. The predistortion method has many applications in linearizing high-power radio frequency amplifiers for telecommunication systems. The structure of this method is not complicated and can be easily used for linearizing nonlinear amplifiers. In this method, a distortion is placed as a complementary distortion at the input of a nonlinear amplifier to linearize the nonlinear amplifier by adding two distortions (i.e., the distortion caused by the nonlinear amplifier itself and the complementary distortion caused by another nonlinear element). Although the amount of linearization with this method is not very significant, this amount of linearization is sufficient for many telecommunication systems. The main advantage of this method is the simplicity of the circuit, high efficiency, and the ability to linearize over a relatively large frequency bandwidth. In this paper, the linearization value of the third and fifth order distortion signals of high power amplifiers is improved compared to previous similar works, and the results are shown using ADS software.
[1] B. Andžej, V. Barzdenas, and A. Vasjanov, "Linearization as a solution for power amplifier imperfections: a review of methods," Electronics, vol. 10, no. 9, Article ID: 1073, May 2021.
[2] P. L. Gilabert, J. R. Pérez-Cisneros, G. Montoro, M. Lavín, and J. García, "Digital predistortion linearization of a GaN HEMT push-pull power amplifier for cable applications with high fractional bandwidth," IEEE Trans. on Broadcasting, vol. 69, no. 2, pp. 516-527, Jun. 2023.
[3] W. T. Tsai, C. Y. Liou, Z. A. Peng, and S. G. Mao, "Intermodulation distortion analysis for power amplifier with various collector voltages," in Proc. IEEE Int. Symp. on Radio-Frequency Integration Technology, RFIT'18, 3 pp., Melbourne, Australia, 15-17 Aug. 2018.
[4] S. Wang, P. M. Ferreira, and A. Benlarbi-Delai, "Physics informed spiking neural networks: application to digital predistortion for power amplifier linearization," IEEE Access, vol. 11, pp. 48441-48453, 2023.
[5] C. B. Haskins, Diode Predistortion Linearization for Power Amplifier RFICs in Digital Radios, Master Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, Apr. 2000.
[6] C. S. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, Artech House, 2006.
[7] J. Pedro and N. Carvalho, Intermodulation Distortion in Microwave and Wireless Circuits, Artech House, 2003.
[8] S. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, Book, 2nd Edition, Artech, 2006.
[9] Q. Cai, W. Che, and K. Ma, "A linear GaN power amplifier using novel transistor based analog predistortion method," in Proc. IEEE MTT-S Int. Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications, IMWS-AMP'16, 4 pp., Chengdu, China, 20-22 Jul. 2016.
[10] Q. Cai, W. Che, K. Ma, and M. Zhang, "A simplified transistor based analog predistorter for a GaN Power mplifier," IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 65, no. 3, pp. 326–330, Mar. 2018.
[11] F. G. Minenna, Y. Elskens, and F. Doveil, "The traveling-wave tube in the history of telecommunication", The European Physical Journal H, vol. 44, 36 pp., 2019.
[12] J. Carvers, "Amplifier linearization using a digital predistorter with fast adaptation and low memory requirements," IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. 39, no. 4, pp. 473-382, Nov. 1990.
[13] N. B. Carvalho and J. C. Pedro, Intermodulation Distortion in Microwave and Wireless Circuits, Artech, 2003.
[14] N. Safari, P. Fedorenko, J. S. Kenney, and T. Roste, "Spline-based model for digital predistortion of wide-band signals for high power amplifier linearization," in Proc. IEEE/MTT-S Int. Microwave Symp., pp. 1441-1444, Honolulu, HI, USA, 03-08 Jun. 2007.
[15] M. Xiao, Novel Predistortion Techniques for RF Power Amplifiers, Ph.D. Dissertation Thesis University of Birmingham, Oct. 2009.
[16] P. Kenington, High Linearity RF Amplifier Design, Book, Artech House, 2000.
[17] S. Bhardwaj, S. Moallemi, and J. Kitchen, "A review of hybrid supply modulators in CMOS technologies for envelope tracking PAs," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 38, no. 5, pp. 6036-6062, May 2023.
[18] J. A. G. Aguilar, C. V. Rosales, and E. T. Cuautle, "Automated driving of GaN chireix power amplifier for the digital predistortion linearization," IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 68, no. 6, pp. 1887-1891, Jun. 2021.
نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 22، شماره 4، زمستان 1403 39
مقاله پژوهشی
خطیسازی تقویتکنندههای توان بالای فرکانس رادیویی (RF) به روش پیشاعوجاج با تولید اعوجاج مکعبی ترانزیستورهای ماسفت
محمدیونس انصاری موحد و محمدرضا متولی کسمائی
چکیده: در این مقاله به روش پیشاعوجاج و با تولید اعوجاج مکعبی به وسیله ترانزیستور ماسفت، مؤلفه اعوجاج مرتبه سوم (IMD3) و پنجم (IMD5) یک تقویت‌کننده غیرخطی توان بالای فرکانس رادیویی کاهش می‌یابد. روش پیشاعوجاج در خطیسازی تقویتکنندههای توان بالای فرکانس رادیویی برای سیستمهای مخابراتی کاربردهای فراوانی دارد. ساختار این روش پیچیده نیست و می‌تواند به سادگی برای خطیسازی تقویتکنندههای غیرخطی مورد استفاده قرار گیرد. در این روش، اعوجاجی به‌عنوان اعوجاج مکمل در ورودی یک تقویت‌کننده غیرخطی قرار می‌گیرد تا با جمع دو اعوجاج (یعنی اعوجاج ناشی از خود تقویت‌کننده غیرخطی و اعوجاج مکمل ناشی از المان غیرخطی دیگر) تقویت‌کننده غیرخطی را خطی کند. میزان خطیسازی با این روش اگرچه خیلی قابل ملاحظه نیست، اما همین میزان خطیسازی هم برای بسیاری از سیستمهای مخابراتی کافی است. مزیت عمده این روش سادگی مدار، بازدهی بالا و توانایی خطیسازی در یک پهنای باند فرکانسی نسبتاً بزرگ است. در این مقاله مقدار خطیسازی سیگنال‌های اعوجاج مرتبه سوم و پنجم تقویتکنندههای توان بالا نسبت به کارهای مشابه قبلی بهتر شده و نتایج به کمک نرم‌افزار ADS نشان داده شده‌اند.
کلیدواژه: تقویت‌کننده توان بالای غیرخطی، روش پیشاعوجاج، اعوجاج مرتبه سوم و پنجم، اعوجاج مکعبی.
1- مقدمه
پس از توسعه سیستمهای مخابراتی، نیاز به افزایش نرخ ارسال داده‌ها و پهنای باند بزرگ‌تر و دسترسی سریع‌تر به داده‌ها بیشتر شده است [1]. همزمان با افزایش بهبود سیستمهای مخابراتی مدرن، خطیسازی المان‌های غیرخطی بیش از پیش اهمیت پیدا کرده است. ناکافی‌بودن پارامتر خطی یک المان غیرخطی (همچون تقویت‌کننده) به معنای تولید پدیده اعوجاج است. یکی از المان‌های ذاتاً غیرخطی مهم در یک سیستم مخابراتی، تقویت‌کننده توان است. تقویتکنندههای توان بخش مهمی در فرستنده‌های RF هستند و مستقیماً خطی‌بودن، بازدهی و هزینه سیستم را تعیین می‌کنند.
سیگنال‌های مخابراتی می‌توانند هر دو مدولاسیون فاز و دامنه را داشته باشند؛ لذا هر عامل غیرخطی در تقویت‌کننده توان بالای فرکانس رادیویی می‌تواند باعث ایجاد اعوجاج و گسترش طیف سیگنال ارسالی و تولید سیگنال‌های اعوجاجی شود [1] و [2]. برای جلوگیری از این گستردگی طیفی در خروجی تقویت‌کننده بالای فرکانس رادیویی، سیگنال‌ها باید به‌صورت خطی تقویت شوند؛ به بیان دیگر آنها باید در داخل کانال مخابراتی خود بمانند تا با کانال‌های دیگر تداخل نداشته باشند [3]. با توجه به ظهور فناوری‌های جدید در حوزه مخابرات، مهم‌ترین و کارآمدترین راهکار برای حل این مشکل، خطیسازی تقویتکنندههای توان بالاست که یکی از چالش‌های مهم برای مهندسین طراح است [4].
هنگامی که سیگنال ورودی حاوی چندین فرکانس مختلف باشد، نوعی از سیگنال‌های اعوجاجی مزاحم به نام سیگنال اینترمدولاسیون مرتبه سوم 2(IMD3) به دلیل نزدیک‌بودن فرکانس آنها به فرکانس سیگنال اصلی مورد توجه قرار می‌گیرند. این مؤلفه‌ها به علت محدودیت‌های ساخت فیلترهای معمول، قابل حذف نیستند. همچنین در برخی از سیستمهای مخابراتی، حذف یا کاهش اثر سیگنال‌های اینترمدولاسیون مرتبه پنجم 3(IMD5) نیز مهم است [5]. فرکانس‌های سیگنال‌های مرتبه پنجم به اندازه مرتبه سوم به سیگنال‌های اصلی نزدیک نیستند؛ اما در برخی از کاربردها حذف این اعوجاج کار مشکلی است. در نتیجه مطلوب آن است که بتوان بدون استفاده از فیلتر، دامنه اعوجاج این مؤلفه‌های اعوجاجی را نیز کاهش داد [6].
همچنین تقویت سیگنال‌های ورودی با پوش ثابت مشکل‌ساز نیست (برای مثال برای حالت سیگنال ورودی با یک فرکانس) [6]. از آنجا که حداکثر توان پوش سیگنال ورودی در این حالت (حالت سیگنال ورودی با یک فرکانس) برابر با توان متوسط سیگنال است، تقویت‌کننده با یک نقطه ثابت در مشخصه تابع تبدیل (محدوده خطی در شکل 1) عمل می‌کند [7].
معمولاً تکنیکهای خطیسازی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند. دسته‌ای از سیگنال خطا در ورودی (و خروجی) تقویت‌کننده توان برای حذف سیگنال‌های اعوجاج خود تقویت‌کننده در خروجی (و ورودی) استفاده می‌کنند که به تکنیکهای بازخورد4 (و رو به جلو5) معروف هستند و می‌توانند خطی‌بودن تقویت‌کننده را به قیمت بازدهی کم و پیچیدگی بالا بهبود بخشند [7] و [8]. دسته‌ای دیگر تغییرات مناسبی در دامنه و فاز برای به دست آوردن سیگنال ورودی معکوس و در نتیجه برای مقابله با اعوجاج تقویت‌کننده توان ایجاد می‌کنند. این نوع رویکرد، پیشاعوجاج6 نامیده می‌شود که دارای بازدهی بالاتر و حاوی مدارهای ساده‌تری در
شکل 1: نمودار توان خروجی به توان ورودی تقویت‌کننده توان بالا (تابع تبدیل).
شکل 2: ساختار کلی روش پیشاعوجاج.
مقایسه با مدارهای دسته اول است. با تولید مشخصه اعوجاجی در ورودی تقویت‌کننده غیرخطی که مکمل مشخصه اعوجاجی تقویت‌کننده غیرخطی است و جمع این دو اعوجاج، خطی‌بودن سیگنال خروجی تقویت‌کننده غیرخطی و در نتیجه سیستم مخابراتی تضمین می‌شود [8]. از این تکنیک همچنین در سیستمهای 7GSM تحت عنوان روش پیشاعوجاج آنالوگ/ دیجیتال استفاده می‌شود [9] و [10].
البته این امکان نیز وجود دارد که مکمل مشخصه اعوجاجی در خروجی تقویت‌کننده غیرخطی قرار گیرد و سپس جمع این دو اعوجاج، همدیگر را حذف کنند؛ اما این روش پیشاعوجاج کمتر مورد توجه قرار می‌گیرد، زیرا با توجه به توان خروجی نسبتاً بالای تقویت‌کننده، ساخت المان‌های مربوطه هزینه بیشتری دارد و نیز در این حالت اتلاف توان غیر قابل اجتناب در خروجی تقویت‌کننده منجر به کاهش قابل ملاحظه بازدهی سیستم تقویت‌کننده می‌شود. لذا اکثر سیستمهای استفاده‌کننده از تکنیک پیشاعوجاج از تولید مکمل اعوجاجی در ورودی تقویت‌کننده غیرخطی و نه در خروجی آن بهره می‌برند [11] و [12].
2- اساس کار تکنیک پیشاعوجاج
سیگنال خروجی یک تقویت‌کننده غیرخطی را می‌توان بر حسب ورودی آن به‌صورت زیر بسط داد [13]
(1)
که 
سیگنال خروجی و 
سیگنال ورودی میباشد. همچنین 
ثابت‌های بهره چندجمله‌ای هستند، بدین ترتیب که 
ثابت بهره ولتاژ مستقیم DC، 
ثابت بهره خطی ولتاژ (برای سیگنال‌های با بهره کوچک) و 
ثابت‌های بهره غیرخطی (مربعی، مکعبی و ...) هستند که موجب انحنا در مسیر خطی مشخصه تابع تبدیل تقویت‌کننده توان بالا در دامنه‌های ورودی بزرگ می‌شوند [14]. رابطه (1) برای پنج مؤلفه اول عبارت است از
شکل 3: عملکرد سیستم پیشاعوجاج با نمایش مشخصه تابع تبدیل و طیف مدار تولیدکننده اعوجاج مکمل و تقویت‌کننده غیرخطی.
(2)
در (2) مؤلفه‌های زوج در نظر گرفته نشده‌اند. از آنجا که تابع انتقال یک تقویت‌کننده، تابعی فرد است، مؤلفه‌های زوج در مقایسه با مؤلفه‌های فرد بسیار کوچک و قابل اغماض هستند. اساس کار تکنیک پیشاعوجاج در شکل 2 نشان داده شده که در آن المان تولیدکننده اعوجاج در ورودی تقویت‌کننده قرار می‌گیرد تا با جمع دو اعوجاج، تقویت‌کننده غیرخطی را خطی کند. به بیان دیگر ثابت‌های بزرگ‌تر از درجه اول در (2) حذف شده و یا اثرشان بسیار ناچیز خواهد بود. سیگنال ورودی قبل از اعمال به تقویت‌کننده غیرخطی به مداری اعمال می‌شود که مشخصه غیرخطی آن عکس مشخصه غیرخطی تقویت‌کننده است. بدین ترتیب اعوجاج سیگنال خروجی تقویت‌کننده غیرخطی کاهش می‌یابد و بنابراین مجموعه مدار تولیدکننده اعوجاج مکمل و تقویت‌کننده غیرخطی، مشخصه خطی و یا نزدیک به خطی خواهد داشت [15].
شکل 3 عملکرد تکنیک پیشاعوجاج را به همراه مشخصه تابع تبدیل و طیف فرکانسی خروجی نشان می‌دهد [5]. مطابق شکل می‌توان بیان کرد که اگر 
مدل تابع ریاضی تقویت‌کننده غیرخطی و 
مدل المان تولیدکننده اعوجاج باشد، در این صورت ولتاژ خروجی 
یک تابع خطی از ولتاژ ورودی خواهد بود.
در قسمت بالای شکل 3 انحراف از حالت تقویت‌کننده غیرخطی به‌وسیله اعوجاج مکمل تولیدشده توسط المان غیرخطی دیگر حذف می‌شود و بهره تقویت‌کننده با افزایش توان و یا دامنه سیگنال ورودی به‌طور خطی افزایش می‌یابد. در قسمت پایینی شکل 3 مشاهده می‌کنیم که ضمن افزایش خطی سیگنال و یا سیگنال‌های اصلی و همزمان با آن، اعوجاج حاصل از سیگنال‌های مرتبه سوم اینترمدولاسیون تولیدشده در خروجی تقویت‌کننده غیرخطی در حالت ایده‌آل حذف شده و یا اثر آن کاهش می‌یابد.
برای نزدیک‌کردن مقادیر شبیه‌سازی به واقعیت از تست دو تن (دو فرکانس مختلف) استفاده می‌کنیم. فرض بر این است که سیگنال ورودی حاوی دو سیگنال ولتاژ سینوسی‌شکل با دامنه‌های برابر و فرکانس‌های مختلف 
و 
باشد
(3)
[1] این مقاله در تاریخ 10 شهریور ماه 1402 دریافت و در تاریخ 26 آبان ماه 1403 بازنگری شد. اين تحقيق توسط دانشگاه قم پشتيباني شده است.
محمدیونس انصاری موحد، دانشکده فنی و مهندسی، گروه برق، دانشگاه قم، قم، ایران، (email: younessansarey@gmail.com).
محمدرضا متولی کسمائی (نویسنده مسئول)، دانشکده فنی و مهندسی، گروه برق، دانشگاه قم، قم، ایران، (email: motavallireza@gmail.com).
[2] . 3rd-Order Intermodulation Distortion
[3] . 5th-Order Intermodulation Distortion
[4] . Feedback
[5] . Feedforward
[6] . Predistortion
[7] . Global System for Mobile Communications
شکل 4: ساختار کلی اعوجاج مکعبی (به عنوان اعوجاج مکمل).
شکل 5: ساختار اعوجاج مکمل مرتبه سوم و پنجم.
پس ولتاژ ورودی تقویت‌کننده (یا ولتاژ خروجی المان مکمل) برابرست با
(4)
ولتاژ خروجی تقویت‌کننده طبق رابطه تابع تبدیل آن به دست می‌آید
(5)
3- تولید اعوجاج مکعبی با ترانزیستور ماسفت
هدف اعوجاج مکعبی1، حذف و یا به عبارتی کاهش اعوجاج درجه سوم تولیدشده توسط تقویتکنندههای غیرخطی با استفاده از جمع فازی مناسب است. کاهش سیگنال‌های اعوجاج درجه سوم توسط تکنیک پیشاعوجاج قابل ملاحظه نیست، اما همین کاهش کم در عمل برای بسیاری از سیستمهای مخابراتی گره‌گشاست.
ساختار کلی مدار اعوجاج مکعبی در شکل 4 نشان داده شده است. سیگنال ورودی فرکانس رادیویی پس از ورود به یک تزویج‌کننده جهت‌دار به دو شاخه تقسیم می‌شود. سیگنال یکی از شاخه‌ها به المان غیرخطی تولیدکننده اعوجاج مکعبی به همراه تضعیف‌کننده دامنه و تغییردهنده فاز (برای تنظیم دامنه و فاز) و شاخه دیگر به المان تأخیر زمانی (برای جبران تأخیر زمانی شاخه دیگر و ترکیب دو سیگنال به‌طور همزمان) داده می‌شود. دو سیگنال ورودی جمع‌کننده 
و 
به ترتیب برابر هستند با
(6)
و
(7)
می‌توان (7) را به‌صورت زیر نیز نوشت
(8)
از آنجا که تولیدکننده اعوجاج مکعبی در سیستم پیشاعوجاج در ورودی تقویت‌کننده توان بالا قرار دارد، این سیگنال‌ها توان پایینی دارند و در نتیجه می‌توان از اتلاف ناچیز المان تأخیر زمانی صرف نظر کرد (اگرچه این سیگنال‌ها در نویز کل سیستم سهیم هستند). سیگنال خروجی که از تفریق و یا جمع دو سیگنال و به‌دست می‌آید برابر است با
(9)
جایگذاری (6) و (8) در (9) نتیجه می‌دهد
(10)
اگر در (10) داشته باشیم
(11)
در این صورت عبارت خطی حذف خواهد شد. این کار با انتخاب مناسب دو تزویج‌کننده جهت‌دار ورودی (تقسیم‌کننده) و خروجی (جمع‌کننده) و ضریب تضعیف و فازهای ایجادشده از المان تأخیری انجام می‌شود. بنابراین سیگنال خروجی با احتساب (11) تبدیل می‌شود به
(12)
رابطه (12) یک اعوجاج مکعبی است. اگر دو تزویج‌کننده جهت‌دار 
و 
به نسبت مساوی، عمل تقسیم و جمع را در ورودی و خروجی انجام دهند، در این صورت (11) و (12) به ترتیب تبدیل می‌شوند به
(13)
و
(14)
شکل 5 ساختار کلی مدار تولیدکننده اعوجاج مکعبی برای مرتبه سوم و پنجم را نشان می‌دهد. با تعمیم (8) به المان مرتبه پنجم می‌توان اعوجاج مرتبه پنجم تولیدشده توسط تقویت‌کننده غیرخطی را نیز حذف کرد. یعنی اگر به‌جای (8) داشته باشیم
شکل 6: تولیدکننده اعوجاج مکعبی با ترانزیستورهای ماسفت.
شکل 7: شکل مدار تقویت‌کننده توان غیرخطی.
[1] . Cubic Distortion
شکل 8: مدار تقویت‌کننده خطی‌شده با روش پیشاعوجاج.
(15)
در این صورت سیگنال خروجی تبدیل می‌شود به
(16)
که ترکیبی از اعوجاج مرتبه سوم و پنجم میباشد.
برای تحقق اعوجاج حاوی مرتبه سوم و پنجم می‌توان از تقویتکنندههای غیرخطی استفاده کرد. برای اهداف عملی به راحتی می‌توان با استفاده از فیلترهای مناسب یکی از اعوجاج‌های درجه سوم یا پنجم را انتخاب کرد. در منابع علمی روش‌های مختلفی برای خطیسازی تقویتکنندههای توان بالا با تولید اعوجاج مکعبی وجود دارد که از جمله آن روش‌ها استفاده از ترانزیستور ماسفت نوع N است [16] تا [18]. علاوه بر نمونه‌های موجود در استفاده از ترانزیستور ماسفت از مدار شکل 6 نیز می‌توان برای کاهش دامنه سیگنال‌های اعوجاجی مرتبه سوم و پنجم استفاده کرد که سادگی مدار آن و همچنین قابل ملاحظه بودن کاهش این سیگنال‌های مزاحم (نسبت به موارد مشابه) از ویژگی‌های آن است.
در این مدار از سیرکولاتور جهت ادغام سیگنال‌های اصلی و اینترمدولاسیون استفاده می‌شود. سیگنال ورودی فرکانس رادیویی واردشده به سیرکولاتور از شاخه درین المان غیرخطی ترانزیستور که به سر دیگر سیرکولاتور وصل است، عبور می‌کند و در نتیجه سیگنال برگشتی همراه با اعوجاج در خروجی سیرکولاتور ظاهر می‌شود.
4- نتایج شبیه‌سازی
مدار شبیه‌سازی‌شده با اعمال سیگنال ورودی حاوی دو تن در فرکانس‌های 911 و 912 مگاهرتز تست شده است. شکل‌های 7 و 8 به‌ترتیب شماتیک تقویت‌کننده غیرخطی به‌طور مستقل (قبل از عمل خطیسازی) و شماتیک مدار پیشاعوجاج طراحی‌شده با نرم‌افزار 1ADS را نشان می‌دهند.
شکل 9 طیف خروجی سیگنال‌های اصلی و اینترمدولاسیون مرتبه سوم و پنجم تقویت‌کننده غیرخطی مورد استفاده در مدار پیشاعوجاج را به‌طور مستقل و شکل 10 همین طیف را بعد از عمل خطیسازی نشان می‌دهد. طیف‌های شکل 9 و 10 با تنظیم یکسان توان‌های خروجی هر دو مدار رسم شده است. در شکل 11 و 12 نیز توان‌های خروجی سیگنال‌های اصلی و اینترمدولاسیون مرتبه سوم و پنجم برای حالت قبل و بعد از عمل خطیسازی بر حسب توان ورودی مقایسه شده‌اند.
شکل 9: طیف خروجی سیگنال‌های اصلی و اینترمدولاسیون مرتبه سوم و پنحم تقویت‌کننده غیرخطی مورد استفاده در مدار پیشاعوجاج (قبل از خطیسازی).
شکل 10: طیف خروجی سیگنال‌های اصلی و اینترمدولاسیون مرتبه سوم و مرتبه پنجم تقویت‌کننده غیرخطی مورد استفاده در مدار پیشاعوجاج (بعد از عمل خطیسازی).
در شکل 11 سیگنال‌های اینترمدولاسیون مرتبه سوم تقویت‌کننده غیرخطی و در شکل 12 سیگنال‌های اینترمدولاسیون مرتبه پنجم تقویت‌کننده غیرخطی برای توان‌های خروجی یکسان قبل و بعد از عمل خطیسازی با هم مقایسه شده‌اند. کاهش و یا به اصطلاح خطیسازی سیگنال‌های مزاحم (IMD3) باید به گونه‌ای باشد که توان مفید قابل ملاحظه‌ای از دست نرود؛ لذا سعی شده که توان‌های خروجی هر دو مدار در محدوده اشباع تقریباً یکسان تنظیم شود.
همان طور که در شکل‌های 11 و 12 مشاهده می‌شود به‌ازای کاهش dBm 13/1 و dBm 73/1 از سیگنال‌های اصلی، dBc 50/26 و
dBc 25/18 از سیگنال‌های IMD3 و IMD5 کاسته شده است. توجه شود که این میزان خطیسازی در توان dBm 3- که توان بالایی در ناحیه خطی میباشد، حاصل شده است.
شکل 11: مقایسه توان تابع تبدیل سیگنال‌های اصلی و اینترمدولاسیون مرتبه سوم دو مدار تقویت‌کننده خطی‌شده با پیشاعوجاج و تقویت‌کننده غیرخطی مستقل.
شکل 12: مقایسه توان تابع تبدیل سیگنال‌های اصلی و اینترمدولاسیون مرتبه پنجم دو مدار تقویت‌کننده خطی‌شده با پیشاعوجاج و تقویت‌کننده غیرخطی مستقل.
شکل 13 دامنه سیگنال‌های اعوجاجی مرتبه سوم و پنجم را قبل و
بعد از خطیسازی با هم در یک نمودار مقایسه کرده و کاهش این سیگنال‌های اعوجاجی را نشان می‌دهد.
در جدول 1 میزان کاهش سیگنال‌های اینترمدولاسیون مرتبه سوم و پنجم در حالت قبل و بعد از خطیسازی مقایسه شده است. همچنین در جدول 2 این میزان کاهش سیگنال‌های مزاحم (یا به عبارت دیگر میزان خطیسازی) با رفرنس‌های دیگر مقایسه شده است.
کاهش سیگنال‌های اینترمدولاسیون مرتبه سوم (IMD3) نسبت به [9]، dB 5/12 یعنی 70% و نسبت به [10]، dB 5/10 یعنی 1/28% بهتر شده است. کاهش سیگنال‌های مذکور در [10] نسبت به [9]، dB 2 یعنی 6% تصحیح شده است.
سیگنال‌های اینترمدولاسیون مرتبه پنجم (IMD5) نسبت به سیگنال‌های مرتبه سوم (IMD3) در فاصله دورتری از سیگنال‌های اصلی (یا سیگنال‌های مطلوب) قرار دارند و در نتیجه حذف و یا کاهش آنها با فیلترهای مناسب امکان‌پذیر است. از این جهت معمولاً در عمل کاهش سیگنال‌های IMD5 در اولویت اول نیست. همچنین روش ارائه‌شده در این مقاله نسبت به روش‌های دیگر تکنیک پيش‌اعوجاج ساده‌تر و در نتیجه هزینه ساخت آن نیز به‌مراتب کمتر است.
[1] . Advanced Design System
شکل 13: مقایسه توان تابع تبدیل سیگنال‌های اصلی و اینترمدولاسیون مرتبه سوم و پنجم دو مدار تقویت‌کننده خطی‌شده با پیشاعوجاج و تقویت‌کننده غیرخطی مستقل.
جدول 1: مقایسه کاهش سیگنال‌های اینترمدولاسیون مرتبه سوم و پنجم در حالت قبل و بعد از خطیسازی.
|
|
|
|
بدون پیشاعوجاج | dBm 47 | dBm 1/9- | dBm 2/35- |
با پیشاعوجاج | dBm 47 | dBm 6/35- | dBm 5/53- |
تصحیح سیگنال‌ها | dBm 47 | dBm 5/26 | dBm 2/18 |
جدول 2: مقایسه تصحیح سیگنال‌های اینترمدولاسیون مرتبه سوم در این مقاله نسبت به کارهای دیگر.
|
| تصحیح سیگنال‌های IMD3 | درصد تصحیح IMD3 |
مرجع [9] | dBm 39 | dBc 14 | 6/5 |
مرجع [10] | dBm 34 | dBc 16 | 9 |
مقاله در دسترس | dBm 47 | dBc 5/26 | 70- 1/28 |
5- نتیجه‌گیری
طراحی ساختار مدارهای خطیسازی تقویتکنندههای توان بالای RF با تکنیک پیشاعوجاج پیچیده نیست. میزان خطیسازی توسط این روش خیلی قابل ملاحظه نیست، اما همین میزان خطیسازی برای بسیاری از سیستم‌ها کافی است. در این مقاله با استفاده از تولید اعوجاج مکعبی ترانزیستورهای ماسفت، عمل خطیسازی یک تقویت‌کننده توان بالای RF با استفاده از حالت دو تن (یعنی دو فرکانس متفاوت) با اختلاف
یک مگاهرتز انجام و مدار مربوطه طراحی و شبیه‌سازی شده است. امکان‌سنجی تئوری به صورت تجربی از طریق تست سیگنال دو تن تأیید می‌شود. در نتایج شبیه‌سازی ضمن مقایسه با کارهای مشابه قبلی، مؤلفه‌های اعوجاج مرتبه سوم (IMD3) و مرتبه پنجم (IMD5) به ترتیب به میزان dBc 50/26 و dBc 25/18 کاهش یافته‌اند که نشان‌دهنده افزایش خطیسازی تقویت‌کننده غیرخطی است.
مراجع
[1] B. Andžej, V. Barzdenas, and A. Vasjanov, "Linearization as a solution for power amplifier imperfections: a review of methods," Electronics, vol. 10, no. 9, Article ID: 1073, May 2021.
[2] P. L. Gilabert, J. R. Pérez-Cisneros, G. Montoro, M. Lavín, and J. García, "Digital predistortion linearization of a GaN HEMT push-pull power amplifier for cable applications with high fractional bandwidth," IEEE Trans. on Broadcasting, vol. 69, no. 2, pp. 516-527, Jun. 2023.
[3] W. T. Tsai, C. Y. Liou, Z. A. Peng, and S. G. Mao, "Intermodulation distortion analysis for power amplifier with various collector voltages," in Proc. IEEE Int. Symp. on Radio-Frequency Integration Technology, RFIT'18, 3 pp., Melbourne, Australia, 15-17 Aug. 2018.
[4] S. Wang, P. M. Ferreira, and A. Benlarbi-Delai, "Physics informed spiking neural networks: application to digital predistortion for power amplifier linearization," IEEE Access, vol. 11, pp. 48441-48453, 2023.
[5] C. B. Haskins, Diode Predistortion Linearization for Power Amplifier RFICs in Digital Radios, Master Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, Apr. 2000.
[6] C. S. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, Artech House, 2006.
[7] J. Pedro and N. Carvalho, Intermodulation Distortion in Microwave and Wireless Circuits, Artech House, 2003.
[8] S. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, Book, 2nd Edition, Artech, 2006.
[9] Q. Cai, W. Che, and K. Ma, "A linear GaN power amplifier using novel transistor based analog predistortion method," in Proc. IEEE MTT-S Int. Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF and THz Applications, IMWS-AMP'16, 4 pp., Chengdu, China, 20-22 Jul. 2016.
[10] Q. Cai, W. Che, K. Ma, and M. Zhang, "A simplified transistor based analog predistorter for a GaN Power mplifier," IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 65, no. 3, pp. 326–330, Mar. 2018.
[11] F. G. Minenna, Y. Elskens, and F. Doveil, "The traveling-wave tube in the history of telecommunication", The European Physical Journal H, vol. 44, 36 pp., 2019.
[12] J. Carvers, "Amplifier linearization using a digital predistorter with fast adaptation and low memory requirements," IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. 39, no. 4, pp. 473-382, Nov. 1990.
[13] N. B. Carvalho and J. C. Pedro, Intermodulation Distortion in Microwave and Wireless Circuits, Artech, 2003.
[14] N. Safari, P. Fedorenko, J. S. Kenney, and T. Roste, "Spline-based model for digital predistortion of wide-band signals for high power amplifier linearization," in Proc. IEEE/MTT-S Int. Microwave Symp., pp. 1441-1444, Honolulu, HI, USA, 03-08 Jun. 2007.
[15] M. Xiao, Novel Predistortion Techniques for RF Power Amplifiers, Ph.D. Dissertation Thesis University of Birmingham, Oct. 2009.
[16] P. Kenington, High Linearity RF Amplifier Design, Book, Artech House, 2000.
[17] S. Bhardwaj, S. Moallemi, and J. Kitchen, "A review of hybrid supply modulators in CMOS technologies for envelope tracking PAs," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 38, no. 5, pp. 6036-6062, May 2023.
[18] J. A. G. Aguilar, C. V. Rosales, and E. T. Cuautle, "Automated driving of GaN chireix power amplifier for the digital predistortion linearization," IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 68, no. 6, pp. 1887-1891, Jun. 2021.
محمد یونس انصاری در سال 1401 مدرك كارشناسي مهندسي برق خود را دانشگاه قم دریافت نمود. نامبرده از پائیز 1401 مشغول به تحصیل در مقطع کارشناسی ارشد دانشگاه قم بوده است. زمينههاي علمي مورد علاقه ایشان شامل موضوعاتي مانند انواع اعوجاجها در سیستمهای مخابراتی، خطیسازی تقویتکنندههای توان بالای فرکانس رادیویی، کنترل و هوشمندسازی سیستمهای مخابراتی میباشد.
محمدرضا متولي کسمائی در سال 1369 مدرك كارشناسي خود را از دانشگاه تبريز و كارشناسي ارشد و دكتري را در سالهاي 1378 و 1388 به ترتيب در رشتههاي مهندسي الكترونيك و مهندسي الكترونيك فركانسهاي بالا از دانشگاههاي بوخوم و ديسبورگ آلمان دريافت نمود. نامبرده در حين تحصيل در آلمان با برخي از شركتهاي آلماني در انجام برخي پروژههاي مرتبط با رشته برق نيز همكاري داشته است. از سال 1390 ايشان عضو هيأت علمي گروه مخابرات دانشكده فني و مهندسي دانشگاه قم ميباشد.
زمينههاي تحقيقاتي مورد علاقه ايشان عبارتند از: طراحي مدارهاي الكترونيكي به
کمک تقويتكنندههاي عملياتي، تقويتكنندههاي توان بالاي RF، خطیسازی
تقويتكنندههاي توان بالا و كاربرد آنها در سيستمهاي مايكروويو و ماهواره.
