節(jié)能智能型3G基站的設(shè)計(jì)

當(dāng)今的移動(dòng)電話用戶希望獲得能夠與靜止?fàn)顟B(tài)下相媲美的移動(dòng)頻帶寬度?；赪CDMA的3G網(wǎng)絡(luò)以及WiMAX等其他最新無線技術(shù)能夠?yàn)橐苿?dòng)通信用戶提供這樣的高帶寬連接，但這些新系統(tǒng)都存在一個(gè)最主要的缺點(diǎn),即通過大量使用復(fù)合調(diào)制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頻譜效率的優(yōu)化的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致基站中功率放大器(PA)的能效大幅度降低，這種情況對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功耗來說影響很大。

對(duì)于整個(gè)無線技術(shù)產(chǎn)業(yè)，高功耗是建設(shè)3G電信基礎(chǔ)設(shè)施需要面臨的主要問題,不僅因?yàn)槟茉促M(fèi)用不斷上漲，而是PA的熱耗散對(duì)于發(fā)展更小、更輕、更廉價(jià)的基站來說是一種阻礙。此外,建設(shè)大規(guī)模高功耗基站所帶來的環(huán)境問題也需要重點(diǎn)關(guān)注。例如, Vodafone等運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開始對(duì)其OEM提出能效方面的要求，以便為其減少能源成本與環(huán)境影響的方針提供支持。

效率

峰值因數(shù)決定了PA的效率或峰值平均功率比(PAPR)。在WCDMA系統(tǒng)中，PA的工作能耗遠(yuǎn)低于最大功率，它的峰值因數(shù)大約為6.5dB至7.0dB。在OFDM系統(tǒng)中，如3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)與WiMAX為提高譜效率，使用了更高的峰值因數(shù)(大約9.0dB至9.5dB)，這會(huì)直接導(dǎo)致PA的效率下降。

然而，我們有可能通過改變基站的構(gòu)架有效改善PA的效率與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量效率。有一種名為包絡(luò)線追蹤( ET)的方法，使PA的偏壓動(dòng)態(tài)變化，以保證輸出功率晶體三極管始終工作于它們的最佳工作曲線，這對(duì)提高3G與WiMAX的能量效率起到了至關(guān)重要的作用，甚至對(duì)于DVB發(fā)射機(jī)也能從容應(yīng)對(duì)。

傳統(tǒng)放大器的主輸出放大級(jí)在恒定的漏電壓下工作，并且只在接近于偏壓值時(shí)生效。ET放大器在運(yùn)行中能夠在所有包絡(luò)等級(jí)下接近偏壓值，因此它總能在最大效率位置處運(yùn)行。盡管ET的工作原理已經(jīng)很明確了，但對(duì)其關(guān)鍵性能的分析難于實(shí)現(xiàn)，因此至今為止它仍未商業(yè)化。其關(guān)鍵性能主要包括精度、頻帶寬度(支持多載波)、穩(wěn)定性、符合偽信號(hào)與噪聲標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)節(jié)器效率。

Nujira公司首創(chuàng)的高精度跟蹤技術(shù)(HAT)實(shí)現(xiàn)了ET的商業(yè)化，此技術(shù)中加入了供電電壓調(diào)節(jié)器與PA中的DSP驅(qū)動(dòng)軟件，其中調(diào)節(jié)器的啟用非常關(guān)鍵，它包含了很多具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問題，使Nujira公司不得不花費(fèi)5年來的大部分時(shí)間去解決這些問題。

事實(shí)證明，在WCDMA與OFDM系統(tǒng)中使用HAT技術(shù)可提高線性放大器中PA的效率，在OFDM系統(tǒng)中，HAT是唯一可實(shí)現(xiàn)PA高效率(15%左右至50%以上)的技術(shù)。它不僅降低了功耗，而且在減小了PA體積的同時(shí)還增加了其可靠性。

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圖1為沒有HAT調(diào)節(jié)器的PA構(gòu)架，圖2為帶有HAT調(diào)節(jié)器的PA構(gòu)架，PA構(gòu)架中是否存在HAT調(diào)節(jié)器對(duì)供電電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，會(huì)對(duì)功率損耗產(chǎn)生影響，圖3與圖4為這兩種情況下功率損耗的比較。對(duì)于現(xiàn)有的PA來說，想在其中加入HAT調(diào)節(jié)器，就必須添加調(diào)節(jié)器和與之相關(guān)的驅(qū)動(dòng)軟件，這需要對(duì)PA進(jìn)行一些微小改動(dòng)，以獲得最佳的匹配度與性能。對(duì)調(diào)節(jié)器來說，它的運(yùn)行狀況至關(guān)重要，并且還帶來了一些具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問題，例如調(diào)節(jié)器本身的效率必須非常高，并且能夠精確跟蹤信號(hào)的包絡(luò)，以便保持特定的偽信號(hào)與噪聲標(biāo)準(zhǔn)。

如果PA設(shè)計(jì)者想在放大器設(shè)計(jì)中采用HAT，則需要在PA設(shè)計(jì)師者與Nujira設(shè)計(jì)小組之間建立一種緊密的合作關(guān)系，其中Nujira設(shè)計(jì)小組可以為PA設(shè)計(jì)工程師提供鑒定平臺(tái)(圖５)與參考設(shè)計(jì)，當(dāng)然還能提供一定的技術(shù)支持。

優(yōu)勢(shì)

HAT技術(shù)可用于所有的頻帶或調(diào)制方案，能在高PAPR之下最大限度地改善效率。除此之外還有其他一些方法，它們雖然也可改善效率，卻只能覆蓋一個(gè)相對(duì)較窄的頻帶，相比之下，HAT技術(shù)同樣適用于寬帶Pa。當(dāng)然此技術(shù)也適用于所有主要的射頻器件技術(shù)與半導(dǎo)體材料，并且可在不同種類的Pa中發(fā)揮同樣的作用，例如砷化鎵FET、砷化鎵HBT、硅LDMOS或GaN器件。

我們可以在許多方面利用HAT的優(yōu)勢(shì)，例如使用帶有HAT的PA可用于實(shí)現(xiàn)更大的射頻功率輸出，即一個(gè)40W放大器的重量和占用空間僅與一個(gè)普通15W的PA相同。換句話說，在射頻功率輸出相同的情況下，PA可以做到更小更輕，這對(duì)于遠(yuǎn)程射頻單元與減小基極總尺寸來說非常有用。多個(gè)放大器集成適于多載波應(yīng)用，擁有三路載波放大能力，并且其尺寸與功率耗損與常規(guī)設(shè)計(jì)中單載波放大器無異。

改善PA效率，對(duì)于基站乃至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總能量效率來說具有重要的意義。在很多情況下，高效率的PA可減少熱損耗，消除基站對(duì)冷卻風(fēng)扇或空調(diào)系統(tǒng)的依賴，從而大大簡(jiǎn)化了基站的設(shè)計(jì)。盡管，安裝HAT調(diào)節(jié)器并在DSP上安裝驅(qū)動(dòng)裝置控制軟件的成本要大于卸載掉冷卻器件所節(jié)省下來的費(fèi)用,改善PA效率仍然具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：降低運(yùn)行費(fèi)用(通過降低能耗)；降低保養(yǎng)費(fèi)用(通過增加設(shè)備可靠性)。降低能耗的另外一個(gè)好處是降低了電源系統(tǒng)上的消耗，包括減少了對(duì)后背電池、電源的需求與一些附加成本。

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在網(wǎng)絡(luò)基站面臨困難與不實(shí)用的尷尬之時(shí)，使用HAT技術(shù)的高效率基站為其進(jìn)一步推廣打開了局面。例如，在電網(wǎng)資源并不豐富的新興市場(chǎng)中有一些使用可再生能源(如風(fēng)能與太陽(yáng)能)的基站，為HAT的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

另外一個(gè)例子說明了基站在發(fā)展過程中遇到的問題，在城市中為3G網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容時(shí)，傳統(tǒng)的基站解決方案需要很多電能，冷卻風(fēng)扇與空調(diào)在運(yùn)行時(shí)也會(huì)產(chǎn)生很多噪聲，通過使用HAT技術(shù)可避免這一問題。

包絡(luò)線的追蹤劃定了新標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于3G運(yùn)營(yíng)商來說，基站中PA的效率必須大于50%。HAT調(diào)節(jié)器運(yùn)用了包絡(luò)線追蹤技術(shù)，運(yùn)營(yíng)商希望其OEM能盡快采用這項(xiàng)技術(shù)，并在這方面給與OEM很大壓力。這項(xiàng)技術(shù)能夠符合嚴(yán)格的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，并使基站供應(yīng)商能夠提供符合客戶環(huán)境經(jīng)濟(jì)政策的產(chǎn)品。