如何计算射频功率放大器效率

5G带来更高的数据速率和更有效的功率放大器的需要。了解并计算巴勒斯坦权力机构的效率。

无线电通信系统稳步提高数据速率和总体系统性能。随着性能的提高,对电力消耗的压力越来越大。最近的一份行业报告[参考1]得出结论,典型的5G基站的耗电量为12千瓦,而LTE基站的耗电量为7千瓦。大约有5个烤面包机的额外能量被使用。(典型的2片烤面包机消耗约1000瓦。)

系统设计师经常为耗电而烦恼。在电池驱动的移动设备中,一次充电的通话时间取决于电池容量和设备消耗的功率。低功率意味着更长的操作时间。在基站,电池功率可能不是问题,但网络中的能源成本可以加起来。当然,任何设备中浪费的能量都会产生必须消散的热量。

功率放大器

功率放大器是无线系统中的一个重要的电源消费者,因此放大器的效率是重要的。图1显示了一个PA输出功率(P 在外面 )基于输入功率(P 在…中 )及提供的直流电源(P 直流电 ).

图1基本的PA通过输入功率和直流电源产生输出功率。

工程师通常用分贝表示放大器的功率增益: 增电效率 (PAE)表示功率放大器的整体效率,包括输入功率的影响。

PAE通常以百分比表示。例如,输出功率为10瓦、输入功率为0.5瓦、直流功率为30瓦的功率放大器,其功率为10-0.5/30=32%。这个放大器的功率增益是G 分贝 = 10 log (10/0.5) = 13 dB.

功率效率(PE)是用来描述放大器效率的另一个参数,忽略了输入功率的影响。在这种情况下,效率是简单地定义为输出功率和供应直流功率。

当功率效率集中在单个晶体管上时,它有时被称为排放效率(FET器件)或收集效率(双极晶体管)。这种用法反映了一个事实,即直流功率在很大程度上是通过排放或收集器测量电流,乘以直流电源的电压来决定的。

注意,当放大器的增益相当高时,重要的输入功率逐渐减弱,使得PAE与PE大致相同。

平均功率比

输入信号的变化会影响功率放大器的实际使用效率。现代的数字调制方法通常会产生瞬间功率变化很大的信号。图2显示高峰值功率信号的瞬态功率水平(P 最高峰 )相对于其平均功率(P 平均值 )。用分贝来表示这种波形的"尖顶性"的方法之一是功率比(PAPR)。

图2冲击信号相对于平均功率有很高的峰值功率。

放大器设计者喜欢恒定功率水平,这样他们就可以调整放大器在特定水平上的性能。图3显示了PE作为典型功率放大器输出功率的函数。在低功率水平上,放大器效率趋于下降。为了我们的目的,曲线的形状比具体值更重要。PA必须处理峰值功率,但信号的平均功率主要决定其实际功率效率。无花果树。3还显示了最有效的操作点,在那里我们希望放大器的操作。不幸的是,信号的PAPR使得你把操作点向左移动,这样峰值功率就不会超过放大器。

图3功率放大器的效率随输出功率而变化.

设计方案

对放大器的操作点(和输出功率)进行关闭是解决高PAPR问题的一个明显的方法。然而,放大器的效率会受到影响。幸运的是,射频工程师开发了两种方法,可以实时调整放大器的操作行为和提高效率。

这两种方法最初是在1930年代提出的,但现在是21世纪常用的设计方法。这些放大器的设计方法是:

· 密封跟踪放大器 :输入信号动态控制放大器的电源电压。

· 多路放大器 :需要时对输入信号中的峰值作出响应的双通道放大器。