تتبع مغلف مضخم الترددات اللاسلكية - RF Amplifier Envelope Tracking

تتبع مغلف مضخم الترددات اللاسلكية عبارة عن تقنيات تم استخدامها لتحسين كفاءة مضخمات طاقة التردد اللاسلكي حيث يعثر تتبع الأظرف على تطبيقات في العديد من المجالات، كما تمثل كفاءة مضخم طاقة التردد اللاسلكي مشكلة، وتم استخدامه في كل شيء من أجهزة إرسال البث (AM) إلى مناطق مثل أنظمة الاتصالات الخلوية وخاصة الهواتف الذكية.

ما هو  تتبع مغلف مضخم التردد اللاسلكي – RF Amplifier Envelope Tracking؟

تتبع مغلف مضخم التردد اللاسلكي (RF Amplifier Envelope Tracking): هي تقنية مبتكرة لتحسين كفاءة مضخمات طاقة التردد اللاسلكي حيث يستخدم على نطاق واسع في الهواتف الذكية والتطبيقات الأخرى حيث تكون كفاءة مكبر الصوت هي المفتاح.

يوفر تتبع المغلفات بعض المزايا المهمة من حيث تقليل الطاقة المستخدمة في مضخمات التردد اللاسلكي ويمكن أن يكون لذلك تأثير كبير على عمر البطارية إذا تم استخدام هذا النوع من الطاقة، كما توفر أنظمة تتبع الأظرف في جوهرها جهد الإمداد المطلوب وليس أكثر لمضخم طاقة التردد اللاسلكي، وبهذه الطريقة يتم تقليل تبديد الطاقة.

بدايات تعقب المغلفات:

تم تطوير تقنية تتبع الأظرف لأول مرة في ثلاثينيات القرن الماضي لمعالجة مشاكل الطاقة المرتبطة بأجهزة إرسال البث المشكل بسعة عالية القدرة حيث وصف (Loy E Barton) نظاماً للتعديل عالي المستوى في عام 1930م حيث تم إهمال الفكرة ولم يتم استخدامها على نطاق واسع حتى أواخر التسعينيات عندما بدأ مصنعو محطات القاعدة الخلوية في التحقيق في استخدامها مع تقنية الجيل الثالث.

يعني تنسيق التعديل المستخدم مع (3G) أنّ كفاءة مضخم الترددات اللاسلكية كانت أقل من تلك التي يمكن الحصول عليها لأنظمة (2G) التي تستخدم في الغالب شكلاً من أشكال التعديل بدون محتوى سعة، ومع ذلك فقد استغرق الأمر حتى عام 2008م تقريباً قبل إطلاق المحطات الأساسية الأولى التي تستخدم تتبع المغلفات.

قدم النظام العديد من المشكلات حيث كانت هناك حاجة لعروض نطاق تعديل عالية، كما تم النظر في استخدامه داخل الهواتف نفسها وأطلقت شركة (Samsung) أول هذه الهواتف في عام 2014م وهي الآن تعمل في العديد من الهواتف الذكية.

تقنيات تحسين كفاءة مكبر الترددات اللاسلكية:

1. تقنية عمل PA في ضغط:

ينطبق هذا المخطط فقط على مخططات الاتساع الثابت مثل (FM) و(GMSK) حيث لا يوجد عنصر اتساع في التضمين، كما يمكن استخدام التشويه المسبق الرقمي لتوفير الخطية حيث تتوفر بعض مكونات السعة.

مزايا تقنية عمل PA في ضغط:

• سهولة التشغيل حيث تسمح متطلبات التعديل والأداء.

• يوفر كفاءة عالية أثناء الضغط.

عيوب تقنية عمل PA في ضغط:

لا يوفر كفاءة عالية لإشارات مستويات الطاقة العالية إلى المتوسطة حيث أنّ مكبر الصوت لن يعمل بالضغط طوال الوقت.

2. تقنية تتبع التيار المستمر:

يتم ضبط جهد (PA) بما يتماشى مع مستوى التعديل، وغالباً ما يستخدم تغييرات مستوى جهد مصدر الطاقة الذي يأمر به البروتوكول.

مزايا تقنية تتبع التيار المستمر:

• سهل التنفيذ نسبياً.

• لا يتطلب تقنيات متقدمة بشكل خاص.

عيوب تقنية تتبع التيار المستمر:

• يتعامل فقط مع متوسط ​​القوة.

• لا يعالج قضايا النطاق العريض.

• لا يعالج القمم والانخفاضات اللحظية.

3. مضخم دوهرتي – Doherty Amplifier:

يتكون مضخم (Doherty) من عنصرين، وهما: مكبر صوت رئيسي ومضخم ذروة يأتي للمساعدة في مستويات الطاقة القصوى حيث يتم إيقاف تشغيل مكبر الصوت الذروة في معظم الأوقات، كما يتم تشغيله فقط للقمم.

مزايا مضخم دوهرتي:

• يعطي زيادة مفيدة في الكفاءة.

عيوب مضخم دوهرتي:

• يتطلب وحدة دمج لتجميع ناتج قسمي مكبر للصوت.

• يمكن أن تحدث مكامن الخلل.

• الكسب والمرحلة تختلف مع انتاج الطاقة.

4. تقنية تعقب المغلف:

تُعد تعقب المغلف لديه جهد إمداد (PA) الذي يتتبع مغلف الترددات اللاسلكية حيث يتيح ذلك تشغيل مكبر الصوت بجهد يعطي الكفاءة المثلى أو مستوى أداء آخر في أي مستوى طاقة لحظي.

مزايا تقنية تعقب المغلف:

• يوفر أفضل أداء على جميع مستويات الطاقة.

• تصاريح تشغيل النطاق العريض.

• يوفر مزايا إضافية من حيث التشغيل في الأحمال غير المتطابقة.

عيوب تقنية تعقب المغلف:

• يتطلب تعقب الأظرف سرعة كبيرة أي عرض نطاق ترددي مرتفع أي مصدر طاقة.

• يتطلب إشارة مغلف دقيقة لإمداد الطاقة.

خلفية تعقب المغلفات:

في معظم تطبيقات مضخمات التردد اللاسلكي، تؤثر كفاءة مكبر الصوت على تصميم وتشغيل وكفاءة النظام ككل، كما تتأثر متطلبات مصدر الطاقة وإمكانيات مضخم الترددات اللاسلكية والمشتتات الحرارية به ولكن مع زيادة استخدام أنظمة طاقة البطارية مثل الهواتف الذكية، يُعد استهلاك طاقة البطارية مشكلة مهمة بشكل خاص.

يتم توفير أي طاقة لمضخم التردد اللاسلكي للدائرة، ويتم إنتاج إشارة حيث سيكون الناتج دائماً أقل من طاقة إدخال التيار المستمر، كما تكون نسبة المخرجات إلى مدخلات التيار المستمر هي الكفاءة حيث تعتمد كفاءة مكبر الصوت على شكل الموجة والوضع الذي يعمل فيه، أمّا عند التشغيل في الوضع الخطي فيجب أن يكون جهاز النواتج دائماً في حالة التوصيل مع ارتفاع جهد الناتج وهبوطه بين الحدين.

عند العمل في هذا الوضع الذي يُسمى غالباً الفئة (A)، فإنّ أقصى كفاءة نظرية يمكن تحقيقها هي (50%) ولكن في النظام الحقيقي تكون المستويات المحققة دائماً أقل من هذا، ولتحقيق مستويات كفاءة أفضل فمن الممكن دفع مكبر الصوت للضغط، كما يمكن تحقيق مستويات أعلى من الكفاءة وإذا تم استخدام شكل موجة ثابت، مثل (FM) فإنّ الانحطاط الوحيد للإشارة هو أنّه يتم إنشاء توافقيات إضافية للحامل الأساسي ويمكن ترشيحها باستخدام مرشحات (RF).

عندما يتم تطبيق التعديل باستخدام مكون السعة على ناقل، يتم تشويه هذا إذا تم تمريره عبر مضخم يتم تشغيله بالضغط، وبالنسبة لأنظمة نقل البيانات المستخدمة اليوم مثل (UMTS) و(HSPA) و(4 G LTE) فإنّ أشكال موجات التردد الراديوي المستخدمة تشتمل على مكون سعة بالإضافة إلى عناصر الطور وبالتالي فهي تتطلب مكبراً خطياً، ويصبح الوضع أسوأ كما لو كانت نسبة الذروة إلى المتوسط ​​عالية أي أنّ شكل الموجة له ​​مستويات ذروة أعلى مقارنة بالمتوسط ​​لأنّ مكبر الصوت يجب أن يكون قادراً على استيعاب القمم بينما لا يزال يعمل فقط عند مستوى متوسط ​​منخفض للطاقة.

خلال فترات الذروة يتطلب مكبر الصوت الجهد الكامل ليكون قادراً على توصيل الطاقة المطلوبة دون الانضغاط، ولكن خلال فترات الإشارة المنخفضة لا يكون هذا الجهد مطلوباً ويعني أنّ الطاقة تبدد في الجهاز بحيث لا يتطلب مضخم الصوت سوى جهد أصغر لتوفير مستويات أقل من الطاقة وبالتالي فإنّ التشغيل بجهد أعلى طوال الوقت يهدر الطاقة دون داع.

يمكن ملاحظة أنّ الطاقة المشتتة تتناسب بين الجزء العلوي من غلاف الترددات اللاسلكية وجهد السكة، أمّا بالنسبة لإشارات نسبة الذروة المنخفضة إلى متوسط ​​القدرة يمكن أن يكون مرتفعاً، وبالإضافة إلى التعديل، فإنّ العديد من المتطلبات الموضوعة على مضخمات التردد الراديوي المستخدمة في التطبيقات الحديثة مثل الاتصالات الخلوية لا تزال تقلل من مستويات الكفاءة، فالعديد من مكبرات الصوت مطلوبة للعمل على نطاقات عريضة أو نطاقات تردد متعددة.

من أجل تحسين مستويات كفاءة مضخمات التردد اللاسلكي، فإنّ أحد الأساليب التي يمكن استخدامها هو استخدام تقنية تتبع المغلفات حيث أنّ تتبع الغلاف يستخدم نظاماً يتم بموجبه تتبع غلاف اتساع الإشارة واستخدامه بواسطة مكبر الصوت، وباستخدام مغلف لتتبع جهد إمداد الطاقة المطبق على مضخم الطاقة يتم ضبطه باستمرار لضمان تشغيل مكبر الصوت بأقصى كفاءة لمتطلبات طاقة الانتاج الآنية المحددة.

ستأخذ أنظمة تتبع الأظرف المغلف الظاهر عند مدخل مضخم الطاقة ثم تستخدمه لتشغيل مصدر الطاقة الذي يوفر جهد الخط لمضخم طاقة التردد اللاسلكي، كما يتم التعديل للتأكد من أنّه يتتبع بشكل صحيح اتساع الإشارة حيث يجب أن يكون العرض كافياً لتلبية احتياجات مضخم الترددات اللاسلكية ولكن أكثر بقليل لتتبع الجهد المطلوب، ويجب أن يتتبع الجهد المطلوب حتى لا يدخل مكبر الصوت في الضغط ويشوه الإشارة، وبهذه الطريقة سيكون المضخم النهائي قادراً على تبديد حرارة أقل بكثير ويستهلك طاقة أقل بكثير.

مخطط كتلة جهاز الإرسال التقليدي:

يكون لنظام إرسال (RF) التقليدي ومخطط كتلة مكبر الصوت نظام توليد النطاق الأساسي حيث يتم إنشاء الإشارة مع تعديلها وتحويلها إلى التردد النهائي ثم يتم تضخيمه وتطبيقه على مضخم طاقة (RF) النهائي، كما يتم توفير هذا عادةً بواسطة محول (DC-DC) الذي يوفر جهداً ثابتاً.

بالنسبة للتطبيقات التي يكون فيها تتبع المغلف قابلاً للتطبيق، تكون معظم الإشارات بتنسيق رقمي وتصل إلى المُشَكِّل كإشارات (In-phase) وإشارات (Quadrature) حيث يتم تطبيق إشارات (I وQ) على المغير لإعطاء الإشارة الإجمالية، كما يمكن ملاحظة أنّ إشارات (I وQ) في تنسيقها الرقمي يتم تطبيقها بشكل منفصل على محول رقمي إلى تماثلي لتحويلها إلى تنسيق تماثلي ويتم تمرير هذه الإشارة من خلال مرشح تمرير منخفض لإزالة الاسم المستعار غير المرغوب فيه والمنتجات عالية التردد.

ثم يتم تمرير الإشارات إلى جهاز مزج حيث يتم مزجها مع إشارة المذبذب المحلي لإحضارها إلى التردد المطلوب، وبعد ذلك يتم تجميعها لإنشاء الإشارة النهائية ثم يتم تمريرها إلى سلسلة مكبر للصوت للتضخيم إلى المستوى المطلوب حيث يتم توصيل مضخم طاقة التردد اللاسلكي بمصدر طاقة ويتم فصله عن الأرض لمنع أي إشارات غير مرغوب فيها وضوضاء تظهر على خط الجهد حيث تعمل هذه السعة على تعديل الإشارة، ممّا يؤدي إلى حدوث ضوضاء غير مرغوب فيها.

نظام تتبع المغلفات:

1. مسار التردد الراديوي الرئيسي:

يبقى مسار التردد الراديوي نفسه كما هو على نطاق واسع حيث تُستخدم الإشارات (I وQ) لإنشاء إشارة (RF) المركبة التي يتم تمريرها إلى مضخمات التردد اللاسلكي.

2. توليد إشارة تضمين المغلف:

تولد سلسلة الإشارة إشارة تضمين المغلف المطلوبة، وهو يتألف من عدد من العناصر لضمان إنشاء الإشارة الصحيحة للتشغيل المطلوب لمكبر الصوت وظروف الإشارة السائدة.

3. موازنة التأخير:

التأخيرات عبر مسارات الإشارة المختلفة: هي إشارة التردد اللاسلكي وإشارة تضمين المظروف لهما تأخيرات خاصة بهما، وهذه تحتاج إلى تعويض لضمان أنّ مغلف (RF) ومغير أو مزود تتبع المغلف يعملان في تزامن بحيث تحدث قمم الإشارة وذروات الجهد من المغير في نفس الوقت، ومع معدلات التضمين العالية يمكن أن تكون التأخيرات الصغيرة كبيرة.

4. مصدر تتبع المغلف:

يعدل مُعدِّل تعقب المغلف أو مزود الطاقة الجهد الكهربي لمضخم الطاقة وأحياناً مكبرات الصوت السابقة لتمكين مكبر الصوت من العمل عند نقطة كفاءته القصوى أو نقطة أخرى تعتمد على المتطلبات.