تصميم مضخم الطاقة الكهربائية لتطبيقات البنية التحتية

تقدم هذه الدراسة تقييم شامل لتأثير التحميل التوافقي المقاوم على تصميم مضخمات القدرة المتكاملة من الفئة [F (PAs)]، بحيث يسمح التحليل المقترح القائم على شكل الموجة للمجال الزمني بتقييم أداء الفئة المذكورة مع التحكم في كل من التوافقيات الثانية والثالثة في وقت واحد.

الغاية من تصميم مضخم الطاقة الكهربائية لتطبيقات البنية التحتية

تتطلب المحطات الأساسية للترددات الراديوية (RF) القائمة على المدخلات المتعددة والمخرجات المتعددة (mMIMO) مضخمات طاقة عالية الكفاءة (PAs)، وذلك لتلبية توقعات الجيل التالي من البنية التحتية اللاسلكية، والتي تسمى الآن (5G)، وذلك مع جودة الإشارة المحسنة ومعدلات البيانات الأعلى والطلب المنخفض وزيادة كفاءة الطاقة، بحيث تتطلب (5G) حلولاً فعالة على جبهات مختلفة.

ولتمكين الجيل التالي من دوائر التردد اللاسلكي؛ تستمر (PA) في كونها العنصر الحاسم في حلول المحطة الأساسية، بحيث يتضمن الطريق إلى التنفيذ الناجح لحلول الترددات اللاسلكية المستندة إلى (MIMO) خفض استهلاك التيار المستمر وتقليل أثر دوائر (RFPA)، والتي تظل محور تركيز الباحثين في هذا المجال.

كما تم فحص طوبولوجيا المضخمات الكهربائية بشكل متناسق، وخاصة تلك المصنفة على أنها الفئة (E) والفئة (F) والفئة (F 1) والفئة (J) على نطاق واسع لتحقيق كفاءة عالية، كما تشكل الفئة (F) المثالية شكل موجة الجهد إلى المربع والتيار إلى نصف جيبي مما يؤدي إلى كفاءة تحويل طاقة نظرية بنسبة (100٪) عندما يتم اعتبار التوافقيات اللانهائية لتشكيل شكل الموجة.

ومع ذلك ومن الناحية العملية؛ فإن الترددات العالية ومخرجات الجهاز الطفيلية تحد من شكل الموجة حتى ثلاثة توافقيات، وعند التحكم في ما يصل إلى ثلاثة توافقيات؛ تُظهر الفئة (F) كفاءة استنزاف نظرية (DE) تبلغ (90.6٪) مع ممانعتان توافقيتان ثنائية وثلاثية، بحيث تم ضبطهما لمطابقة الأحمال القصيرة والمفتوحة على التوالي.

الدراسات التي شملت الحد من المركبات التوافقية للتردد

حتى الآن، لم تكن هناك دراسة شاملة حددت تدهور الكفاءة بسبب مقاومة التوافقيات الفردية أو مجموعاتها تحت عملية الفئة (F)، بحيث تمت محاولة الأعمال المذكورة، وذلك لحل مشكلة مطابقة تصميم الشبكة مع الأخذ في الاعتبار عامل جودة العناصر الخاملة ولكن يقتصر على حلول المعاوقة الأساسية، كما حاولت بعض الأعمال إثبات تشغيل المناطق المحمية من الفئة (F) في ظل عملية مقاومة، ولكن هناك فجوة بين التطبيق العملي والنظرية المقترحة.

على سبيل المثال، يقدم عملية مقاومة من الفئة (F) باستخدام نظرية هندسة الشكل الموجي والقياسات التي لم يتم التحقق من صحتها باستخدام قياسات الحمل الكهربائي والسحب المُحتمل للتيار الكهربائي، بالإضافة إلى ذلك لم يتم الإبلاغ عن التباين في حالة التحميل الأساسية وتدهور الكفاءة أثناء حساب السلوك المقاوم للممانعة التوافقية الثانية والثالثة في وقت واحد.

بالإضافة إلى ذلك، غالباً ما يتم تنفيذ معظم تصميمات الفئة (F – PA) التي تم الإبلاغ عنها مسبقاً باستخدام توليف شبكات مطابقة خارج الشريحة على لوحات الدوائر المطبوعة، مما يزيد من أثر الدائرة ويحد من تطبيق هذه المناطق المحمية في محطات قاعدة التردد الراديوي القائمة على (mMIMO) التي تتطلب عامل الشكل المضغوط.

تحلي المركبات التوافقية الثنائية والثلاثية للفئة F-PA

الجهد الكهربائي والصياغة الحالية

من الناحية العملية، يعد الحفاظ على حالة دائرة قصر أو دائرة مفتوحة متناسقة مثالية أمراً صعباً بسبب الخسائر المتضمنة في العبوة والسندات السلكية ولوحة الدوائر المطبوعة، أي مقاومة توافقية ومقاومة تغير مكونات الجهد والتيار وبالتالي تؤثر على كفاءة الطاقة في (F-PA).

كما تعتمد الممانعة التوافقية المقاومة والجهد التوافقي المقابل لها ومعاملات التيار على بعضها البعض، بحيث يحدد الاختلاف في المعاملات التوافقية الممانعة التوافقية ذات الصلة والعكس صحيح، أي التغيير في المعاوقة التوافقية يحدد التباين في الجهد التوافقي أو مكونات التيار الكهربائي، بحيث تم شرح تأثير وصياغة المقاومة التوافقية الثانية والثالثة في القسم التالي.

كما يعرض تيار التصريف نصف الجيبي من الفئة (F) حتى مكونات التيار التوافقي مع عدم وجود مكون من الدرجة الثالثة، ونتيجة لذلك ومن أجل وجود توافقي ثانٍ إيجابي مقاوم؛ فإنه يجب أن يوجد مكون جهد خارج الطور، بحيث يتم تلبية متطلبات جهد التصريف هذا لـ (0≤k2≤1)، مما يؤدي إلى اختيار مكون الجهد التوافقي الثاني السالب.

وكما هو موضح في الشكل التالي (1-a)، وبالنسبة لثابت (k3 = 0.16)؛ فإنه يمكن استغلال مساحة مقاومة توافقية ثانية مقاومة لـ (0≤k2≤1)، والتي بدورها تنخفض (δ) من (1.15) إلى (0.55) لشرط توافقي ثالث مفتوح، أي إذا كان (k3 = 0.16)؛ فإنه يمكن حساب الممانعة التوافقية الثانية (ZF ، 2) في وضع فئة (F) المقاوم.

مساحة التصميم وتقييم الأداء

يؤثر التوافقي الثاني المقاوم على مكون الجهد الكهربائي الأساسي ويؤثر التوافقي الثالث المقاوم للتيار الأساسي، وبالتالي يغير الحمل الكهربائي الأمثل في مولد التيار للجهاز، بحيث يمكن التعبير عن الحمل الأساسي (ZF ، 1) كـ:

حيث (Ropt) هي المعاوقة المثلى من الفئة (B) المعطاة كـ [(Vdc − Vk) / (Im / 2)]، وبالنسبة لزاوية التوصيل من الفئة (B ، β = 180) ودرجة والتوافقي الثاني عند التوافقي القصير والثالث عند الفتح؛ فإنه يمكن حساب (ZF 1) على أنه (1.15 × Ropt)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2-a)، وهو في الواقع نفس الفئة، بحيث تم الإبلاغ عن المعاوقة الأساسية (F) في الأعمال السابقة.

وبالنسبة للمقاومة التوافقية الثالثة المفتوحة الثابتة؛ فإنه ينخفض (ZF ، 1) من (1.15 × Ropt) إلى (0.94 × Ropt) مع المقاومة التوافقية الثانية، وبالمثل بالنسبة لمقاومة توافقية ثانية قصيرة (ZF ، 1)، بحيث يتغير من (1.15 × Ropt) إلى (0.84 × Ropt) مع مقاومة توافقية ثالثة.

رسم الخرائط التوافقية المقاومة القائمة على السحب النشط

ينقسم التحقق التجريبي من هذا العمل إلى خطوتين، واحدة تعتمد على سحب الحمل النشط والأخرى على أساس تصميم وتصنيع (PA) المتكامل، بحيث يتم تنفيذ سحب الحمل النشط (ALP) باستخدام نظام موري النشط، وذلك كما هو موضح في الشكل (3-a)، حيث أن الهدف من (ALP) هو تحديد الحد الأقصى من الكفاءة التي يمكن تحقيقها في ظل المقاومة التوافقية الثانية والثالثة تحت عملية الفئة- (F).

وبالنسبة لقالب (NXP LDMOS) ذات مقاس (4.8) مم؛ فإنه يتم استخراج تأثيرات إطلاق إشارة الأرض (GSG) باستخدام القياسات، كما تتم إعادة هندسة الممانعات جوهرياً من (50) إلى دائرة مفتوحة للتيار التوافقي الثالث ومن (50 Ω) إلى دائرة قصر للمقاومة التوافقية الثانية.

بعد ذلك، يتم تضمين السعة الناتجة التقريبية الخطية جنباً إلى جنب مع تأثيرات (GSG) لتحديد الممانعة التوافقية الثانية والثالثة في لوحة المسبار كما هو موضح في الشكل (3-a)K ,للجمع بين كل من الممانعة الثانية والثالثة للمقاومة التوافقية، فإنه يتم إجراء سحب حمولة أساسي عند ضغط كسب (P3) ديسيبل.

وأخيراً تم تقديم تحليل مفصل لتأثير المركبات التوافقية المقاومة وتركيبها على تصميم مضخمات الطاقة من الفئة (F)، ثم تم تقديم طوبولوجيا جديدة متكاملة من الفئة (F)، بحيث تمتص مطابقة الإخراج المقترحة سعة خرج الأجهزة النشطة، مما يسمح بظروف الدائرة القصيرة والمفتوحة التوافقية في المستوى المرجعي للمصدر الحالي، وبالإضافة إلى ذلك تحافظ الطوبولوجيا على إنهاء مقاوم بحت عند التردد الكهربائي الأساسي.