مهندسی میدان و مایکروویو
انجمن مهندسی مایکروویو ایران
مهندسی میدان و مایکروویو
انجمن مهندسی مایکروویو ایرانراندمان تجهیزات مایکروویو (بخش دوم)
پنج راه اندازه گیری راندمان: راندمان یک تقویت کننده در مهندسی مایکروویو حداقل به پنج روش اندازه گیری می شود، که کاملا گیج کننده هستند. شاید به این فکر کنید که کاش IEEE یک استاندارد بر روی "واژگان راندمان تقویت کننده" داشت، ولی با توجه به دانش ما چنین استانداردی وجود ندارد.
راندمان درین: راندمان درین نام خود را از قطعات FET گرفته است، زیرا تن ها پایه ای که به آن ولتاژ DC متصل می شود، پایه درین است. راندمان درین نسبت توان RF خروجی به توان DC ورودی است:
راندمان درین معیاری برای سنجش میزان تبدیل توان DC به توان RF، برای یک قطعه است. مسئله که در ارتباط با این نوع راندمان وجود دارد این است که توان ورودی به تقویت کننده را در نظر نمی گیرد. در حالت تقویت کننده های یک طبقه، توان ورودی می تواند قابل ملاحظه باشد، زیرا گین یک طبقه چندان زیاد نیست. راندمان درین در تقویت کننده های یک طبقه تقلب یا یکی از روش های بازاریابی حیله گرانه فروشندگان آن ماژول ها به حساب می آید.
توجه داشته باشید که رابطه "راندمان درین" را برای یک محصول با پایه FET مانند pHEMT استفاده می کنید، اگر قطعه مورد استفاده شما BIPOLAR بود مانند HBT، می توانید آن را "راندمان کالکتور" بنامید. روش محاسبه فرقی نمی کند.
راندمان توان افزوده (PAE=POWER ADDED EFFICIENCY): راندمان توان افزودی مشابه راندمان درین است، با این تفاوت که در این روش محاسبه توان ورودی به قطعه نیز در نظر گرفته می شود. PAE یکی از مورد قبولترین و مناسب ترین روش ها برای مقایسه دو قطعه است. بهتر است که قطعه ای با PAE بالاتر انتخاب کنید تا با راندمان درین بالا....
توجه داشته باشید که PAE برای یک تقویت کننده، همانند یک قطعه، نیز به عنوان معیار شایستگی استفاده می شود.
در بحث تئوری یک تقویت کننده با بهره بینهایت دارای راندمان توان افزوده و راندمان درین برابر است. برای یک تقویت کننده واقعی، PAE همیشه کمتر از راندمان درین است. ولی هنگامی که شما دارای 30dB بهره با بیشتر باشید، دو مقدار راندمان بسیار به یکدیگر نزدیک می شوند. زیرا در این حالت توان ورودی کمتر از 1% توان خروجی است. راندمان توان افزوده را می توان بر حسب راندمان درین نیز بیان کرد:
در یک تقویت کننده با بهره 30dB، PAE و راندمان درین فقط به مقدار 0.1 با یکدیگر اختلاف دارند. ماکزیمم PAE ممکن برای یک قطعه معمولا با افزایش فرکانس کاسته می شود. این امر ناشی از این مطلب است که ماکزیمم بهره تقویت کننده ها با افزایش فرکانس کاسته می شود.
راندمان کلی: راندمان کلی نسبت به دو نوع دیگر کامل تر بوده و هر دو نوع توان DC و RF را در نظر می گیرد:
راندمان کلی به طور کامل قوانین ترمودینامیک را در بر دارد. ولی PAE روش محاسبه محبوب در جامعه مایکروویو است.
اگر شما یک ریاضیدان باشید می توانید ثابت کنید که راندمان کلی همیشه بزرگتر از PAE است. البته این اثبات زندگی اجتماعی شما را بهبود نخواهد بخشید و هم چنین اثبات کم اهمیتی خواهد بود، پس خودتون رو به زحمت نندازید.
راندمان تقویت کننده: راندمان یک تقویت کننده چند طبقه را نمی توان راندمان درین کلی نامید زیرا راندمان طبقات مختلف با یکدیگر فرق دارد و این اسم باید برای یک قطعه استفاده شود (البته به نظر من). معمولا طبقه خروجی دارای بیشترین راندمان بوده و راندمان طبقات هر چه به سمت ورودی بروید به تدریج کاسته می شود. این امر لازم است زیرا اگر شما بخواهید مطمئن باشید که دارای DRIVE دارید که باعث به اشباع رفتن طبقه خروجی شود.
"راندمان تقویت کننده" نسبت توان خروجی RF به توان DC ورودی بوده و یکی از بهترین معیارهای شایستگی برای یک تقویت کننده چند طبقه است. در عمل برای یک تقویت کننده با بهره بالا، راندمان تقویت کننده، PAE و راندمان کلی به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک هستند که آن ها را برابر فرض کنیم. راندمان تقویت کننده کننده معیاری قبول شده برای بیان راندمان این محصولات است.
راندمان پریز (Wall-plug): کارهای فراوانی برای راندمان بازار انجام شده است، یا باید بگویم که کارهای بازاری بسیار انجام شده. اگر شما طراحی یک تقویت کننده پالسی را ببینید و کسی بگوید که راندمان زنجیره ارسال 20% است، شروع به سوال کردن کنید. آیا این محاسبه در حالت روشن بودن تقویت کننده انجام گرفته است؟ و یا میانگینی است که شامل حالت آماده به کار تقویت کننده هنگامی که فرستنده خاموش می باشد؟. آیا این مقدار تمامی رگولاتورهای ولتاژ و مبدل های DC را نیز در نظر گرفته است (زیرا ممکن است برخی طبقات GaAs باشند و برخی طبقات GaN که با ولتاژهای درین کاملا متفاوت کار می کنند)؟ افت ولتاژ مدولاتور در نظر گرفته شده است؟ ولتاژ گیت و تقسیم کننده های ولتاژ چطور؟ در این زمان است که طراحی از شما می پرسد: راندمان پریز را می خواهی؟
راندمان وال-پلاگ یعنی شما توان متوسط خروجی RF را با مقادیر دقیق اندازه گیری شده مصرفی که از پریز AC می آید، مقایسه کنید و توان RF ورودی را نادیده بگیرید. رابطه زیر برای راندمان پریز پیشنهاد می شود.
در حالت کالی برای فرکانس های مختلف بر اساس راندمان تقویت کننده های متفاوتی توصیه می شود:
L-BAND: قطعات LDMOS سیلیکونی توصیه می شوند زیرا می توانند به راندمان 60% برسند. با GaN HEMT ها حتی به راندمان های بهتر هم می توان رسید. با استفاده در کلاس E می توانید به راندمان 80% نیز برسید.
X-BAND: تقویت کننده های MESFET با پهنای باند 10% می توانند به 30% راندمان در باند ایکس دست یابند. GaAs pHEMT ها می توانند به 40% راندمان توان افزوده در این باند دست یابند. و GaN HEMT ها راندمان 50% درصدی را به خود اختصاص می دهند. TWTها به طور معمول دارای راندمان 60% می باشند.
WiDEBAND: هرچه پهنای باند بیشتر شود، راندمان پایین تر می آید. زیرا شما دیگر نمی توانید بهترین بار را در آن پهنای باند داشته باشید. تقویت کننده های مدار مجتمع به صورت ذاتی ناکارامد هستند، زیرا این قطعات همگی دارای یک ولتاژ نیستند. بعضی از آن ها در آستانه آتش گرفتن و برخی در همان زمان در حال خاموش شدن هستند.
یک تقویت کننده SSD که در پهنای باند 2 تا 18 گیگاهرتز کار می کند دارای راندمان توان افزوده کمتر از 10% است.
Q and W BANDS: در این فرکانس ها، GaN HEMT ها دارای راندمان توان افزوده 30% در حد یک قطعه و برای یک تقویت کننده دارای PAE حدود 20% می باشند.
راندمان تجهیزات مایکروویو (بخش اول)
مقدمه ای بر راندمان: راندمان معیاری است که تعیین می کند یک وسیله به چه میزان یک منبع انرژی را به نوع دیگری از انرژی تبدیل می کند. در واقع بخشی از توان که به گرما تبدیل نمی شود اهمیت دارد. گرما تقریبا به طور جهانی محصول نامطلوبی در تبدیل و انتقال انرژی به حساب می آید.
در فرآیندهای دیگری که در زندگی روزانه اتفاق می افتد، ما توقع سطوح متفاوتی از راندمان داریم. موتور اتوموبیل در حالت خوشبینانه حدود 20% از مخزن بنزین را به کار قابل اندازه گیری تبدیل می کند. البته تفاوت بزرگی بین "کار قابل اندازه گیری" و "کار غیر لازم" وجود دارد.
در سلول های خورشیدی، ما توقع داریم که نور خورشید را به الکتریسیته قابل استفاده تبدیل کنیم، و امروزه بازدهی 10% این سلول ها برای شرکت آمورفس بدست آمده است. برای بدست آوردن 100 مگاوات توان، با تابش 1 کیلووات بر متر مربع انرژی خورشیدی، نیاز به یک کیلومتر مربع سلول خورشیدی خواهیم داشت.
در مهندسی مایکروویو علاقه داریم که توان DC را به توان RF تبدیل کنیم. هر چه راندمان تقویت کننده توان بیشتر باشد، تلفن همراه شما مدت زمان بیشتری آماده به کار خواهد بود. زیرا در واقع تقویت کننده های فرستنده هستند که از باتری جریان می کشند. برخی تقویت کننده های کلاس E دارای بازدهی 80% نیز هستند. ولی این الزاما درست نیست، زیرا تقویت کننده گیرنده همواره روشن است در حالیکه تقویت کننده توان تنها در هنگامی که تلفن همراه اطلاعاتی ارسال می کند، روشن می شود. بنابراین طراحان LNA باید بیشتر به بازدهی طراحی شان توجه داشته باشند تا طراحان تقویت کننده های توان.
ماکزیمم بازدهی تجهیزات در حوزه مایکروویو تابعی از فرکانس، دما، سطح توان ورودی، امپدانس بار، نقطه بایاس، مشخصات هندسی قطعه، و امپدانس مشخصه آن است. بازدهی در واقع یک مسئله چند بعدی (MULTI DIMENSIONAL) است، می توان بازدهی مدار را تحت شرایط متفاوت با استفاده LOAD PULL محاسبه کرد.
توجه داشته باشید که قوانین ترمودینامیک به شما اجازه نمی دهند به بازدهی 100% برسید، اصلا اهمیت ندارد که چگونه محاسبه می کنید. برخی رگولاتورهای سوئیچینگ می توانند یک ولتاژ را با بازدهی جالب 90% به ولتاژ دیگر تبدیل کنند.
بازدهی تقویت کننده های توان را می توان با قرار دادن بارهای مناسب برای هارمونیک هایشان، در محل بار و منبع افزایش داد. معمولا با اتصال کوتاه کردن هارمونیک دوم می توان بازدهی تقویت کننده توان را افزایش داد. هامونیک سوم را می توان با یک مدار باز کاهش داد. دست و پنجه نرم کردن با سایر هارمونیک ها به سر دردش نمی ارزد، مگر اینکه قطعه در هارمونیک سوم یا غیره دارای بهره ی قابل توجهی باشد.
اکنون بگذارید دربارۀ موضوع حماقت مایکروویوی صحبت کنیم. فرض کنید که شما یک تقویت کننده را مجددا طراحی کرده و PAE آن را از 20% به 22% رساندید. آیا شما بازدهی را 2% افزایش داده اید؟. خیر، فقط دو صدم افزایش دادی، انیشتین!!