اقرأ في هذا المقال
يُعد مُعدِّل التيار المباشر أو مصدر الطاقة المستخدم في مضخم تتبع مغلف التردد اللاسلكي أحد أكثر المجالات دقة في التصميم، فهو يوفر الجهد الصحيح لمضخم التردد اللاسلكي في جميع الأوقات، كما يوفر مُعدِّل التيار المستمر أو مزود تتبع المغلف لمكبر التردد اللاسلكي النهائي بالجهد المطلوب لتوفير طاقة الإنتاج المطلوبة كما يتم تقليل الطاقة المشتتة بشكل كبير لأنّ جهاز مضخم الطاقة النهائي غير قادر على تبديد قدر الطاقة تقريباً كما لو تم توفير مصدر ثابت.
أساسيات إمداد الطاقة لتتبع الأظرف:
تتمثل وظيفة مصدر طاقة تتبع المغلف في الحصول على معلومات المغلف ثم انتاج الجهد إلى مكبر (RF) الذي يطابق شكل الموجة حيث ليس من السهل إنشاء وظيفة مصدر طاقة تعقب المغلف، والمتطلبات أكثر دقة ممّا قد تكون مرئية للوهلة الأولى.
1. عرض النطاق الترددي – Bandwidth:
من الضروري أن يكون مزود طاقة تتبع المغلف قادراً على متابعة غلاف التعديل بدقة، وهذا يعني أنّه يجب أن يكون قادراً على متابعة غلاف التعديل بدقة عند أعلى الترددات التي يعمل بها، ولمتابعة التضمين بدقة يجب أن يكون مزود طاقة تتبع الغلاف قادراً على تحقيق ترددات تقارب ضعفين إلى ثلاثة أضعاف عرض النطاق الترددي للإشارة، أمّا بالنسبة للأنظمة الحالية يمكن أن يتطلب ذلك مستويات عرض نطاق لإمداد الطاقة تبلغ (50 ميجاهرتز) وأكثر.
2. الكفاءة – Efficiency:
من أجل الحصول على الفوائد الكاملة لتقنية تتبع الأظرف يجب أن يكون مصدر الطاقة عالي الكفاءة، وليس هناك ما يدعو إلى تحسين كفاءة (PA) بنسبة (10%) على سبيل المثال، وإذا تم استبدال محول (DC-DC) عالي الكفاءة المستخدم في النهج التقليدي بمورد تتبع مغلف أسوأ بنسبة (10%).
3. الضوضاء – Noise:
على الرغم من أن مصادر الطاقة في وضع التبديل توفر مستويات عالية جداً من الكفاءة، فإنّ أحد تحديات استخدامها هو ضوضاء وضع التبديل المتولدة حيث تتفاقم المشكلة بسبب عرض النطاق الترددي الواسع جداً لإمدادات الطاقة اللازمة لتحقيق تعقب المغلف، لذلك فإنّ التصميم المبتكر مطلوب لضمان تلبية هذه المعلمة بالكامل.
تكون الضوضاء على إمداد تتبع الأظرف المغير هو قضية رئيسية للغاية في كثير من الحالات حيث تظهر أي ضوضاء على العرض كتحويل سعة على الإشارة، كما سيكون للضوضاء نطاق ترددي عريض وبالتالي فإنّها ستؤدي إلى فرض ضوضاء واسعة النطاق على إشارة الناتج، وهذا بدوره يعني أنّ القنوات المجاورة قد تعاني من التداخل.
هذه المسألة ذات أهمية خاصة بالنسبة إلى (FDD) أي تقسيم التردد في أنظمة الإرسال المزدوج حيث تخفي الضوضاء المرسلة التي تظهر في قناة الاستقبال الإشارة المستقبلة، ولكي تعمل أنظمة (FDD) بشكل مُرضٍ يجب أن تكون الإشارات الزائفة للمرسل، بما في ذلك الضوضاء عند مستويات منخفضة للغاية في نطاقات الاستقبال، ممّا يفرض متطلبات صارمة للغاية على أي مصدر طاقة لتتبع الغلاف.
4. عدم وجود مكثفات فصل – No decoupling capacitors:
من الممارسات المعتادة في مصادر الطاقة التقليدية إضافة مكثف فصل إلى النواتج لضمان تقليل الضوضاء والتموج وما إلى ذلك إلى الحد الأدنى، وعندما يكون عرض النطاق الترددي العالي المطلوب لأنظمة تتبع المغلفات، فإنّه لا يمكن أن يحتوي مصدر الطاقة على أي فصل للنواتج، وهذا يعني أنّ تصميم العرض أو المغير أمر بالغ الأهمية للأداء العام.
5. مقاومة ناتج منخفضة جدا – Very low output impedance:
بسبب حقيقة أنّه لا يُسمح بمكثفات الفصل، فيجب أن يكون لمزود (ET) أو المغير مقاومة ناتج منخفضة جداً تمتد إلى أقصى تردد تعديل وما بعده، وسيمكن ذلك من امتصاص أي ضوضاء قد تظهر على الخط.
6. القدرة على التوريد – Supply capability:
من الضروري أن يتمكن مزود طاقة تتبع المغلف من توفير متطلبات التيار والجهد لمكبر الصوت (RF) بشكل كامل، وقد لا يكون من السهل دائماً تحقيق ذلك ضمن قيود التصميم العام حيث يُعد تصميم مُعدِّل العرض أو التيار المستمر القادر على توفير مستوى الجهد المطلوب بالضبط تحدياً صارماً في التصميم.
متطلبات توصيل إمدادات ET إلى PA:
لا يستطيع مُعدِّل تتبع الغلاف أو مزود الطاقة الحصول على مكثف فصل على الرابط إلى مضخم الطاقة حيث ستكون هذه ممارسة قياسية للتكوينات التقليدية، ولكن في ضوء تعديل النطاق الترددي العالي الذي يتطلبه إمداد تتبع المغلف لا يمكن استخدام مكثف فصل حيث يوجد متطلبات التصميم الهامة على مُعدِّل أو إمداد تتبع المغلف:
1. مقاومة منخفضة – Low resistance:
من أجل عدم تطوير أي جهد عبر الرابط بين إمداد تتبع الظرف و(PA) يجب أن يكون لديه مقاومة منخفضة قدر الإمكان، وهذا يعني أنّه يجب أن يكون قصيراً قدر الإمكان وواسعاً أيضاً لضمان تضمين أكبر قدر ممكن من النحاس في لوحة الدائرة.
2. الحث المنخفض – Low inductance:
الحث بالمثل هو مشكلة حيث أنّ الحث سيؤدي أيضاً إلى تطور الفولتية عبر العنصر الحثي لأي مفاعلة، كما يمكن أن يؤدي هذا إلى حدوث مشكلات عند اختبار الدائرة ومحاولة استشعار التيار، والاستشعار الاستقرائي ليس مجدياً حقاً لتحقيق ذلك.
3. السعة المنخفضة – Low capacitance:
في حين أنّه من المفيد جعل الرابط بين إمداد تتبع الظرف و(PA) واسعاً جداً، فقد يؤدي ذلك إلى زيادة مستوى السعة على الأرض وهذا قد يحد من أداء التتبع حيث يجب أن تكون السعة عند الحد الأدنى، كما يمكن أن تكون إحدى طرق تحقيق ذلك عن طريق إزالة المستوى الأرضي أسفل هذا المسار على لوحة الدائرة.
نهج توريد تتبع المغلفات:
1. إمداد تتبع الغلاف التماثلي:
يتبع الإمداد الخطي لمكبر صوت (RF) لتتبع الظرف نفس المبادئ الأساسية المستخدمة من قبل المنظمين الخطيين العاديين، كما يمكن أن تكون إمّا في تكوين تسلسلي أو تحويل ولكن بشكل عام يتم اعتماد تكوين سلسلة لأنّها عادة ما تكون أكثر كفاءة.
ونظراً لأنّ الجهد المنظم للإمداد أو المغير الخطي يجب أن يكون دائماً أقل من جهد الدخل، فإنّ مستوى الكفاءة محدود إلى حد كبير حيث تصبح أقل كفاءة مع زيادة الفرق بين جهد الناتج والجهد الداخل، حيث تتمثل ميزة مصدر (ET) الخطي في أنّه قادر على توفير جهد نظيف للغاية لمضخم التردد اللاسلكي وهذا أمر مهم للغاية حيث تتم إضافة الضوضاء من الإمداد إلى إشارة التردد اللاسلكي وستؤدي إلى حدوث تداخل على القنوات المجاورة.
على الرغم من أنّ العديد من الإمدادات الخطية تستخدم تشغيل مكبر للصوت من الفئة (A)، فمن الممكن إلى حد كبير تحسين كفاءة مزود أو مُعدِّل تتبع المغلف باستخدام مكبرات الصوت من الفئة (AB / B) والفئة (G / H) في الدائرة.
إذا استخدمت فئة (AB / B) يمكن تنفيذ الفئة من خلال استخدام مضخم الترددات اللاسلكية بشكل فعال، على الرغم من أنّ النطاق الترددي أقل من مضخم التردد اللاسلكي نفسه حيث غالباً ما يعمل مضخم الترددات اللاسلكية للتطبيقات الخلوية بترددات تبلغ (800 ميجاهرتز) أو أعلى في معظم الحالات في حين أن تعديل إشارة (LTE) قد يتطلب عرض نطاق لمزود طاقة (ET) يبلغ (50 ميجاهرتز)، وعادةً ما يتم ترتيب مكبرات الصوت من الفئة (B) في شكل ما من أشكال تكوين الدفع والسحب بحيث يمكن أن يكون مصدر تيار لتمكين متابعة دقيقة للمغلف حيث يتم استخدام زوج مكمل.
تتميز فئة (G / H) بمزايا عديدة لهذا الشكل من التطبيق حيث يستخدم هذا الشكل من المضخمات قضبان إمداد متعددة يستخدمها اعتماداً على مستوى جهد الناتج المطلوب، ولأنّ إشارات (PAPR) العالية تعمل عموماً بمستويات طاقة أقل لفترة أطول ممّا تفعل في المستويات الأعلى، فإنّ هذا النهج له العديد من المزايا.
توجد اختلافات بين مكبرات الصوت من الفئة (G) والفئة (H) وعادةً ما تحتوي مكبرات الصوت من الفئة (G) على اثنين أو ثلاثة من الفولتية المنفصلة التي تستخدمها حيث يُعد مضخم الصوت من الفئة (H) أكثر قدرة على تنظيم جهد ناتج بسلاسة وفقاً لمتطلبات مضخم طاقة التردد اللاسلكي، كما يمكنه إنشاء انتقالات سلسة من أقل جهد إمداد إلى أي جهد آخر، وبالتالي توفير انتاج نظيف.
2. تحويل إمدادات الطاقة – Switching ET supply:
في وضع التبديل (SMPS) توفر تحويل جهد أكثر كفاءة بكثير من تلك الخطية، وفي ضوء حقيقة أنّ تتبع المغلفات يدور حول تحسين الكفاءة، فإنّ الإمدادات الخطية ليست قابلة للتطبيق عادةً ويجب استخدام تقنية وضع التبديل بشكل أو بآخر حيث يتمثل العيب في تقنية وضع التبديل في أنّه ليس من السهل التنظيف للغاية من حيث الضوضاء والارتفاعات نتيجة تبديل عنصر تمرير السلسلة.
هناك مشكلة أخرى تتعلق بتقنية التبديل عند استخدامها مع تقنية تتبع الأظرف وهي أنّ تردد التبديل يجب أن يكون أعلى من الحد الأقصى لعرض النطاق الترددي المطلوب للإمداد، وعادةً خمسة أضعاف عرض النطاق الترددي للإشارة حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى الحاجة إلى بعض ترددات التحويل العالية جداً، وفي المقابل يمكن أن تؤدي ترددات التحويل العالية هذه إلى مستويات كفاءة أقل من تلك المتوقعة عادة عن طريق تبديل الإمدادات.
يُعتبر ترشيح المخرجات أحد العناصر الأساسية لمزود تتبع المغلف في وضع التبديل حيث يتحكم مرشح التمرير المنخفض المطلوب في الناتج في مواصفات التموج للإمداد وهو أمر مهم للغاية في تقليل ضوضاء النطاق العريض التي يمكن أن تقع خارج النطاق الترددي المطلوب وتتسبب في حدوث تداخل مع المستخدمين الآخرين حيث يلعب المرشح دوراً رئيسياً في تحديد الطريقة التي يمكن أن يتبع بها العرض غلاف التعديل المطلوب فهو يحتاج إلى تردد قطع عالٍ لتمكينه من اجتياز الترددات العالية المطلوبة لتتبع غلاف التعديل.
يحتاج نوع الفلتر المستخدم إلى اختيار دقيق، وهناك عدة أنواع يمكن اعتبارها أكثر شيوعاً حيث توفر مرشحات (Butterworth) مستوى أفضل من توهين نطاق التوقف مقارنة بمرشح (Bessel)، ولكن ليس بجودة مرشح (Legendre – Papoulis) حيث يوفر (Bessel) أداءً أفضل لتأخير المجموعة أياً كان شكل المرشح المعتمد، وسيكون بمثابة حل وسط وتحتاج المتطلبات الدقيقة للتطبيق المعين إلى النظر بعناية.
3. العرض الهجين ET:
من أجل توفير أفضل أداء يمكن تطوير مزود أو مُعدِّل لتتبع المغلف المختلط، باستخدام عناصر من كل من التقنيات الخطية والتكنولوجية التحويلية، وهذا هو النهج الذي يستخدمه عدد من تصميمات تتبع المغلفات للاتصالات الخلوية والتطبيقات الأخرى حيث يمكن الجمع بين مزايا الكفاءة العالية لإمداد وضع التبديل والضوضاء المنخفضة للتكنولوجيا الخطية، وهناك ثلاث طرق يمكن اتباعها:
1. الهجين التسلسلي – Serial hybrid:
يوفر مصدر أو مُعدِّل وضع التبديل متعدد المستويات مُعدِّلًا خطياً بمستويات جهد منفصلة قريبة من الجهد المطلوب لمضخم التردد اللاسلكي حيث يكون المغير الخطي قادراً على توفير الجهد النهائي الذي يستفيد من الضوضاء المنخفضة للمغير الخطي، ولأنّ مصدر وضع التبديل يوفر غالبية خفض الجهد حيث يتم الحفاظ على الكفاءة.
2. الهجين المتوازي – Parallel hybrid:
يستخدم الأسلوب الموازي لمعدِّل تتبع المغلف مُعدِّلًا خطياً للتحكم في عنصر تبديل الإمداد باستخدام إشارة مغلف مستشعرة مع مُعدِّل خطي وإمداد التبديل في الحلقة حيث تقلل آلية التغذية الراجعة التيار الذي يوفره المغير الخطي، كما يكون مصدر التبديل قادراً على توفير مكونات التردد المنخفض لمضخم التردد اللاسلكي، بينما يوفر المنظم الخطي مكونات التردد الأعلى وإلغاء ضوضاء التبديل.
3. الهجين المختلط – Combined hybrid:
يتيح النهج الهجين المدمج مزيداً من الكفاءات مقارنة بتلك التي يمكن الحصول عليها باستخدام التقنيات التسلسلية أو الموازية بمفردها حيث إنّها تستخدم عنصري تبديل وعنصر خطي واحد، كما يتم استخدام مصدر تبديل واحد مع مُعدِّل خطي متصل بتكوين متوازي للتكوين الهجين المتوازي ويوفر قدرة عالية الكفاءة للنطاق العريض، كما يتم إدخال مصدر التحويل الثاني في الدائرة في سلسلة متتالية لتغذية المغير الخطي بعرض النطاق الترددي المتغير المنخفض لتقليل فقد الطاقة في حالة الهجين التسلسلي.
