Die Grundlagen der Doherty Verstärkerarchitektur

Der Doherty-Verstärker, der erstmals 1936 von William H. Doherty in den Bell Telephone Laboratories konzipiert wurde, hat eine bemerkenswerte Renaissance in der modernen drahtlosen Infrastruktur erlebt. Ursprünglich für Hochleistungs-Sender entwickelt, bildet diese Architektur jetzt das Rückgrat der effizienzsteigernden Schaltungen in 4G- und 5G-Basisstations-Leistungsverstärkern. Die Kernprämisse des Doherty-Verstärkers ist elegant: Er verwendet zwei verschiedene Verstärkerzellen - einen Hauptverstärker (Carrier) und einen Peaking-Verstärker (Hilfsverstärker) -, die gemeinsam arbeiten, um die Effizienz in einem breiten Dynamikbereich dramatisch zu verbessern, insbesondere bei Leistungspegeln, die deutlich unter dem Peak liegen.

Herkömmliche Class-AB-Verstärker leiden zwar linear, aber unter einem starken Abfall des Wirkungsgrads, da die Ausgangsleistung von der Spitze abgesichert wird - genau dem Betriebszustand, der moderne Zellularsignale dominiert. Die Doherty-Architektur überwindet dies, indem sie sicherstellt, dass bei niedrigen Leistungsniveaus nur der Hauptverstärker aktiv ist und an oder nahe seinem Spitzeneffizienzpunkt arbeitet. Mit zunehmender Signalhülle schaltet sich der Spitzenverstärker ein und liefert zusammen die notwendige Spitzenleistung, während sie über den gesamten Bereich hinweg einen hohen Wirkungsgrad beibehält. Diese Fähigkeit, den Drain-Wirkungsgrad über 40-50 % auch bei 6-8 dB-Back-off zu halten, macht den Doherty-Verstärker für Basisstationen, die mit hohen Spitzen-zu-durchschnittlichen Leistungsverhältnissen (PAPR) umgehen, unverzichtbar.

Haupt-gegen-Spitzenverstärker

Der Hauptverstärker ist in der Regel in Klasse AB (oder manchmal Klasse B) vorgespannt, um eine gute Linearität bei niedrigen Leistungspegeln zu erzielen. Er ist so ausgelegt, dass er den größten Teil der Signalleistung im Normalbetrieb übernimmt. Der Spitzenverstärker ist dagegen in Klasse C so vorgespannt, dass er bei niedrigen Eingangspegeln ausgeschaltet bleibt (oder fast ausgeschaltet ist). Wenn das Eingangssignal einen Schwellenwert überschreitet (normalerweise 6 dB unter der Spitzenleistung), schaltet sich der Spitzenverstärker ein und trägt zum Ausgang bei. Der genaue Einschaltpunkt und die Verstärkungseigenschaften der beiden Verstärker sind entscheidend, um sowohl einen hohen Wirkungsgrad als auch eine hohe Linearität zu erreichen.

Das Impedanz-Invertierungsnetzwerk

Im Mittelpunkt des Betriebs des Doherty-Verstärkers steht das Impedanz-Invertierungsnetzwerk, normalerweise eine Viertelwellen-Übertragungsleitung, die am Ausgang des Hauptverstärkers platziert ist. Dieses Netzwerk transformiert die Impedanz, die der Hauptverstärker sieht, so dass bei niedriger Leistung (Spitzenausgang) der Hauptverstärker eine Impedanz sieht, die seinen Wirkungsgrad maximiert. Wenn der Peaking-Verstärker eingeschaltet ist und Strom liefert, ändert sich die Impedanz, die vom Hauptverstärker gesehen wird, so dass beide Verstärker die Leistung in die Last effizient liefern. Das Combiner-Netzwerk muss sorgfältig entworfen werden, um eine ordnungsgemäße Lastmodulation auf allen Leistungsniveaus aufrechtzuerhalten.

Warum Doherty-Verstärker für 4G- und 5G-Netzwerke unerlässlich sind

Der Übergang von 3G zu 4G LTE und jetzt zu 5G NR führte zu einer grundlegenden Verschiebung der Art der übertragenen Signale. Frühe zellulare Standards verwendeten Modulationen mit konstantem Umschlag (z. B. GSM GMSK), die es Leistungsverstärkern ermöglichten, mit gutem Wirkungsgrad nahezu sättigungsgerecht zu arbeiten. Moderne orthogonale Frequenzmultiplex-Wellenformen (OFDM) in LTE und 5G verwendet, erzeugen Signale mit hohen Spitzen-zu-Mittelleistungsverhältnissen - oft im Bereich von 7-12 dB. Um Signalverzerrungen und Nachbarkanalstörungen zu vermeiden, muss der Leistungsverstärker linear über diesen großen dynamischen Bereich bleiben. Ohne effizienzsteigernde Techniken wie Doherty würde ein herkömmlicher Klasse AB-Verstärker mehr als 80% der DC-Leistung als Wärme verschwenden, wenn er mit 6 dB Back-off betrieben wird. In einer Basisstation, die mehrere hundert Watt HF-Leistung verbraucht, was enormen Energieverschwendung und Kühlungsherausforderungen entspricht.

Hohes Spitzen-/Mittelwert-Leistungsverhältnis

5G-NR-Signale, insbesondere solche mit 256-QAM oder höheren Modulationsaufträgen, weisen PAPRs von 8-12 dB auf. Die Fähigkeit des Doherty-Verstärkers, einen hohen Wirkungsgrad bei 6-10 dB Back-Off aufrechtzuerhalten, spricht diese Anforderung direkt an. Bei vielen Makrozellen-Einsätzen liegt die durchschnittliche Ausgangsleistung zwischen 20-40 % der Spitzenleistung, was der Region entspricht, in der der Doherty-Verstärker am effizientesten arbeitet. Felddaten von großen Infrastrukturanbietern zeigen, dass der Ersatz traditioneller Class AB-Endstufen durch Doherty-Architekturen eine 30-50 %ige Reduzierung des Stromverbrauchs pro Basisstation bewirkt, was zu erheblichen Betriebskosteneinsparungen für Mobilfunknetzbetreiber führt.

Effizienz bei Back-Off-Leistungspegeln

Die Doherty-Architektur erreicht einen theoretischen Wirkungsgrad von 78,5% bei voller Leistung und behält immer noch einen Wirkungsgrad von 60-65% bei 6 dB Back-Off, was weit über den typischen 30-35% eines Class AB-Verstärkers bei demselben Back-Off hinausgeht. Dies wird durch Lastmodulation erreicht: Wenn der Peaking-Verstärker eingeschaltet ist, wird die effektive Lastimpedanz des Hauptverstärkers nach unten moduliert, so dass beide Verstärker mit hohem Wirkungsgrad über einen weiten Bereich arbeiten können. Moderne GaN-basierte Doherty-Implementierungen haben Drain-Effizienzen von mehr als 70% bei 8 dB Back-Off für 5G-NR-Wellenformen gezeigt.

Linearitätsanforderungen

Der Doherty-Verstärker führt aufgrund des Schaltverhaltens des Peaking-Verstärkers und der Verstärkungsfehlanpassung zwischen den beiden Pfaden eine gewisse Nichtlinearität ein. Bei sorgfältigem Design und der Verwendung fortschrittlicher Linearisierungstechniken wie digitaler Vorverzerrung (DPD) können Doherty-Verstärker jedoch die für 5G-Emissionsmasken erforderliche spektrale Reinheit erreichen. Tatsächlich kombinieren die meisten kommerziellen 5G-Basisstationen Doherty-Endstufen mit DPD, die in feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs) oder anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) implementiert sind, um sowohl hohe Effizienz als auch strenge Linearitätsspezifikationen zu erreichen.

Herausforderungen bei der Implementierung moderner Basisstationen

Trotz seiner weit verbreiteten Verbreitung stellt der Doherty-Verstärker eine Reihe von technischen Herausforderungen dar, die HF-Ingenieure bei der Entwicklung für 4G- und 5G-Basisstationen bewältigen müssen, die sich mit zunehmenden Betriebsfrequenzen in den Millimeterwellenbereich für 5G und darüber hinaus stellen.

Begrenzung der Bandbreite

Herkömmliche Doherty-Verstärker beruhen auf Viertelwellen-Impedanzwechselrichtern, die von Natur aus schmalbandig sind. Für 4G-LTE-Bänder, die sich über 70-100 MHz erstrecken, ist dies akzeptabel, aber für 5G-Bänder unter 6 GHz, die 200-400 MHz oder mehr abdecken können, wird die Bandbreitenbegrenzung zu einer erheblichen Einschränkung. Ingenieure haben verschiedene Techniken entwickelt, um die Bandbreite von Doherty-Verstärkern zu erweitern, einschließlich der Verwendung mehrerer Offsetleitungen, Stufenimpedanztransformatoren und neuartiger Kombinationsnetze. Jüngste Untersuchungen haben gezeigt, dass Doherty-Verstärker mit einer momentanen Bandbreite von über 600 MHz unter Verwendung von gekoppelten Leitungsstrukturen und fortschrittlichen Substratmaterialien betrieben werden.

Kombination von Netzwerkkomplexität

Das Combinernetzwerk muss gleichzeitig eine Impedanzinversion, eine korrekte Phasenausrichtung und einen geringen Einfügeverlust bieten. Jede Abweichung führt zu einer verschlechterten Effizienz oder Linearität. Bei Millimeterwellenfrequenzen (z. B. 28 GHz, 39 GHz für 5G) werden die Viertelwellenübertragungsleitungen extrem klein - in der Größenordnung von wenigen Millimetern - und ihre parasitären Effekte werden signifikant. Dies erfordert extrem enge Fertigungstoleranzen und die Verwendung fortschrittlicher Verpackungstechniken. Einige Entwickler haben sich auf On-Chip-Doherty-Implementierungen mit Silizium-basierten Prozessen (SiGe BiCMOS, 45-nm RFSOI) konzentriert, um die Verstärker und das Combinernetzwerk zu integrieren, obwohl der geringere Qualitätsfaktor von On-Chip-Passiven die Effizienz im Vergleich zu GaN-basierten diskreten Lösungen einschränkt.

Wärmemanagement

Selbst bei einem Wirkungsgrad von 70 % der Drain-Leistung wird bei einem Doherty-Verstärker mit einer Spitzenleistung von 200-300 W immer noch erhebliche Wärme abgeführt. Der Hauptverstärker, der kontinuierlich arbeitet, erfährt eine andere thermische Belastung als der Peaking-Verstärker, der nur bei Hochleistungs-Bursts aktiviert wird. Thermische Zyklen und ungleichmäßige Temperaturverteilung über die Transistoren können die Zuverlässigkeit und Linearität beeinträchtigen. Basisstationsdesigns müssen fortschrittliche thermische Lösungen wie Dampfkammern, Flüssigkeitskühlung und thermische Grenzflächenmaterialien enthalten, die für Hochleistungs-GaN-Geräte optimiert sind. Die physikalische Anordnung der Doherty-Zellen muss auch die thermische Kopplung zwischen den beiden Verstärkern berücksichtigen, um zu verhindern, dass sich der eine übermäßig erwärmt.

Fortgeschrittene Doherty-Architekturen und Mitigation-Techniken

Um die inhärenten Einschränkungen der klassischen Doherty-Topologie zu überwinden, haben Forscher und Industrie eine Vielzahl fortschrittlicher Variationen entwickelt, die es Doherty-Verstärkern ermöglichen, die anspruchsvollen Spezifikationen von 4G- und 5G-Basisstationen zu erfüllen und gleichzeitig wettbewerbsfähige Kosten und Größe zu erhalten.

Asymmetrische und mehrstufige Doherty

Bei einem symmetrischen Doherty-Verstärker haben Haupt- und Spitzenverstärker die gleiche Gerätegröße und Ausgangsleistungsfähigkeit. Der Lastmodulationseffekt ist jedoch am effizientesten, wenn der Spitzenverstärker größer als der Hauptverstärker ist, typischerweise 1,5 bis 2-mal größer. Diese asymmetrische Doherty-Konfiguration erweitert den Hocheffizienzbereich auf tiefere Back-Off-Level - oft 8-12 dB - und ist damit ideal für den extremen PAPR von 5G. Mehrstufige Doherty-Verstärker fügen eine oder mehrere zusätzliche Spitzenstufen hinzu, die jeweils bei sukzessive höheren Eingangspegeln eingeschaltet werden, was die Effizienzkurve weiter verflacht. Diese mehrstufigen Architekturen können zwar komplexer in Design und Bias sind, können jedoch bei 12 dB Back-Off einen Wirkungsgrad von 40% erreichen, eine bemerkenswerte Leistung.

Digitale Vorverfälschung

Digitale Vorverzerrung (DPD) ist ein wesentlicher Begleiter für Doherty-Verstärker in Basisstationen geworden. DPD arbeitet, indem es ein inverses Modell des nichtlinearen Verhaltens des Verstärkers erstellt und das Basisbandsignal vorverarbeitet, um die durch den Leistungsverstärker eingeführte Verzerrung zu kompensieren. Moderne DPD-Systeme können AM-AM- und AM-PM-Verzerrung, Speichereffekte und sogar Kreuzmodulation in MIMO-Konfigurationen korrigieren. In Kombination mit einem gut konzipierten Doherty-Verstärker ermöglicht DPD Werte des Nachbarkanalleckage-Verhältnisses (ACLR) von -55 dBc oder besser, die strengsten regulatorischen Anforderungen erfüllen. Adaptive DPD-Algorithmen können Temperatur- und Alterungsdrift verfolgen, die Leistung über die Lebensdauer der Basisstation beibehalten. Weitere Informationen zu DPD-Techniken finden Sie im technischen Artikel von DPD für 5G-Basisstationen .

Verwendung von GaN und anderen Wide Bandgap Halbleitern

Die Annahme von Galliumnitrid (GaN) High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) war ein wichtiger Enabler für moderne Doherty-Verstärker. GaN bietet hohe Durchbruchspannung, hohe Stromdichte und niedrige parasitäre Kapazität, so dass Doherty-Designs hohe Ausgangsleistung (100-500 W) bei hohen Frequenzen mit hervorragender Effizienz erreichen können. Die breite Bandlücke ermöglicht auch den Betrieb bei höheren Übergangstemperaturen, wodurch die thermische Managementkomplexität reduziert wird. Andere breite Bandlückenmaterialien wie Siliziumcarbid (SiC) werden in einigen Hochleistungsdesigns verwendet, obwohl SiC im Allgemeinen die HF-Leistung von GaN fehlt. Die Kombination von GaN-Geräten mit Doherty-Architektur ist der Goldstandard für Makrozellen und massive MIMO-Basisstationen geworden.

Da sich die drahtlose Industrie in Richtung 5G Advanced und schließlich 6G bewegt, wird sich die Doherty-Verstärkerarchitektur wahrscheinlich weiterentwickeln, sich mit anderen effizienzsteigernden Techniken integrieren und sich an neue Frequenzregime anpassen.

Integration mit Envelope Tracking

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers in Echtzeit, um der Hüllkurve des HF-Signals zu folgen. In Kombination mit der Doherty-Verstärkung kann ET die Effizienz weiter verbessern, insbesondere bei tiefen Back-Off-Leveln. Die Doherty-Architektur bietet jedoch bereits eine ausgezeichnete Back-Off-Effizienz, so dass der inkrementelle Nutzen von ET geringer ist. Einige Forscher haben hybride ETPA-Systeme (Envelope Tracking Doherty) vorgeschlagen, bei denen die Hauptverstärkerversorgung verfolgt wird, während der Peaking-Verstärker von einer festen Spannung geliefert wird, was über einen breiten Leistungsbereich hinweg einen Wirkungsgrad von über 75% erreicht. Solche Systeme erfordern sehr schnelle Hüllkurvenmodulatoren mit hoher Bandbreite, die mit GaN-Schaltern und fortschrittlicher digitaler Steuerung möglich werden.

Doherty in Massive MIMO und Beamforming

Massive MIMO-Basisstationen verwenden Dutzende oder sogar Hunderte von Antennenelementen, jede mit ihrer eigenen Transceiver-Kette. Leistungsverstärker in massiven MIMO-Systemen müssen hochintegriert und kostengünstig sein, was oft zur Verwendung hocheffizienter Doherty-Verstärker im Sendepfad führt. Mit dem Trend zum Millimeterwellenbetrieb bieten CMOS-basierte Doherty-Verstärker, die direkt in Beamformer-Chips integriert sind, einen vielversprechenden Pfad zu 5G-Funkgeräten bei 28 GHz und 39 GHz. Zum Beispiel hat Keysight Technologies Designmethoden für Doherty-Verstärker bei Millimeterwellenfrequenzen veröffentlicht, was zeigt, dass eine sorgfältige elektromagnetische Simulation und ein optimiertes Gerätelayout kann erreichen 40% Effizienz bei 28 GHz mit Ausgangsleistungen von mehr als 30 dBm pro Element.

Auf dem Weg zu 6G

6G wird voraussichtlich in den Sub-THz-Bereich (100-300 GHz) vordringen und noch größere Bandbreiten (mehrere Gigahertz) erfordern. Bei diesen Frequenzen steht die Doherty-Architektur vor grundlegenden Herausforderungen, da die Viertelwellen-Impedanzwechselrichter extrem kurz und verlustbehaftet werden. Neue Topologien, die auf verteilter Verstärkung, Wanderwellen-Dauer und der Verwendung von hochepsilonendielektrischen Materialien basieren, könnten sich herausbilden. Darüber hinaus können die für 6G erforderlichen massiven Bandbreiten den Fokus von analogen Doherty-Techniken auf volldigitales Beamforming mit hocheffizienten, linearen, breitbandigen Verstärkern verschieben, die nicht auf Lastmodulation angewiesen sind. Trotzdem bleibt das zugrunde liegende Prinzip - effiziente Handhabung von High-PAPR-Signalen - relevant, und Variationen des Doherty-Konzepts werden wahrscheinlich in hybriden Formen bestehen bleiben.

Schlussfolgerung

Die Doherty-Verstärkerarchitektur hat sich als eine der wirkungsvollsten Innovationen in der HF-Leistungsverstärkung für die zellulare Infrastruktur erwiesen. Durch die intelligente Kombination von zwei Verstärkern durch Lastmodulation erreicht sie eine beispiellose Effizienz bei den Back-Off-Leistungsstufen, die 4G- und 5G-Signale dominieren. Während Herausforderungen wie Bandbreitenbeschränkungen und Designkomplexität bestehen bleiben, haben fortschrittliche Techniken wie asymmetrische Topologien, digitale Vorverzerrung und GaN-Transistortechnologie Doherty zur Standardwahl für Hochleistungsbasisstationen gemacht. Da sich drahtlose Systeme weiterhin zu größeren Bandbreiten, höheren Frequenzen und massiven MIMO-Arrays entwickeln, wird sich die Doherty-Architektur weiterhin anpassen und sicherstellen, dass Netzbetreiber die von Abonnenten geforderte Datenrate und Abdeckung liefern können Energiekosten. Für Ingenieure, die die nächste Generation von Basisstationsleistungsverstärkern entwerfen, ist ein gründliches Verständnis der Doherty-Prinzipien und ihre praktische Umsetzung weiterhin unerlässlich.