Los fundamentos de la arquitectura amplificadora Doherty

El amplificador Doherty, concebido por William H. Doherty en 1936 en Bell Phone Laboratories, ha sufrido un notable renacimiento en la infraestructura inalámbrica moderna. Originalmente desarrollado para transmisores de alta potencia de transmisión, esta arquitectura ahora forma la columna vertebral de circuitos de aumento de la eficiencia en los amplificadores de potencia 4G y 5G base estación de gran alcance.

Amplificadores de clase tradicional AB, mientras que lineal, sufren de una fuerte caída de eficiencia ya que la potencia de salida se apoya desde el pico –precisamente la condición de operación que domina las señales celulares modernas. La arquitectura Doherty supera esto asegurando que en niveles bajos de potencia sólo el amplificador principal es activo, operando en o cerca de su punto de eficiencia máxima.

Amplificador de pico de Versus principal

El amplificador principal se bifurca en la clase AB (o a veces Clase B) para proporcionar una buena linealidad a niveles bajos de potencia. Está diseñado para manejar la mayoría de la potencia de señal durante el funcionamiento normal. El amplificador de pico, por otro lado, se biseca en la clase C para que permanezca apagado (o casi apagado) para los niveles de entrada bajos.

La Red de Inversión de Impedancia

El amplificador principal de la red de carga se convierte en un impulsor de carga de gran calidad, y se puede utilizar con mayor precisión, mediante el amplificador de alta potencia, y se puede utilizar con mayor precisión y con mayor precisión, el amplificador de carga se convierte en un impulsor de carga de gran potencia.

Por qué los amplificadores Doherty son esenciales para las redes 4G y 5G

La transición de 3G a 4G LTE y ahora a 5G NR trajo un cambio fundamental en la naturaleza de las señales transmitidas. Los estándares celulares tempranos utilizaron modulaciones de alto rendimiento (por ejemplo, GMSK de GSM) que permitieron que los amplificadores de potencia funcionaran cerca de la saturación con buena eficiencia.

Alta proporción de potencia de pico a promedio

5G NR señales, especialmente las que utilizan 256-QAM o órdenes de modulación superiores, exhiben PAPRs de 8 a 12 dB. La capacidad del amplificador Doherty para mantener alta eficiencia en 6 a 10 dB back-off directamente aborda este requisito. En muchas implementaciones macrocelulares, la potencia de salida promedio es entre el 20 y el 40% de la potencia máxima, que corresponde a la región donde el transductor de arquitectura Doherty opera la mayoría de campo

Eficiencia en los niveles de potencia de la ola trasera

Eficiencia en el back-off es la métrica de los amplificadores de potencia de estación base. La arquitectura Doherty logra una eficiencia teórica de 78,5% a pleno poder y mantiene una eficiencia de 60–65% a 6 dB de respaldo, muy superior a la de un amplificador Clase AB de 30–35% en el mismo back-off. Esto se logra mediante la modulación de carga: como el amplificador de pico se desacelera

Requisitos de linaridad

Aunque la eficiencia es crítica, la linealidad de señal no puede ser comprometida.El amplificador Doherty introduce inherentemente cierta no linealidad debido al comportamiento de conmutación del amplificador de pico y obtiene desajuste entre las dos vías. Sin embargo, con el diseño cuidadoso y el uso de técnicas de linearización avanzadas como la predistorción digital (DPD), los amplificadores Doherty pueden alcanzar la pureza espectral requerida para las mascaras de datos de datos

Desafíos de implementación en estaciones de base modernas

A pesar de su adopción generalizada, el amplificador Doherty presenta un conjunto de desafíos técnicos que los ingenieros RF deben navegar al diseñar para estaciones base 4G y 5G. Estos desafíos se vuelven más agudos a medida que las frecuencias operativas aumentan en las bandas de onda milímetro para 5G y más allá.

Limitaciones de ancho de banda

Los amplificadores tradicionales de Doherty dependen de inversores de impedancia de onda trimestral, que son dispositivos de banda angosta inherentemente. Para bandas 4G LTE que abarcan 70–100 MHz, esto es aceptable, pero para bandas 5G sub-6 GHz que pueden cubrir 200–400 MHz o más, la limitación de ancho de banda se convierte en un obstáculo significativo.

Combinando la Complejidad de Red

La red de mezcladores debe proporcionar simultáneamente la inversión de impedancia, la alineación de fase adecuada y la baja pérdida de inserción. Cualquier desviación resulta en la eficiencia o linealidad degradada. A frecuencias de onda milímetro (por ejemplo, 28 GHz, 39 GHz para 5G), las líneas de transmisión de onda trimestral se vuelven extremadamente pequeñas, por orden de unos pocos milímetros, y sus efectos parasihíticos se vuelven significativas de diseño.

Gestión térmica

Incluso con una eficiencia de drenaje del 70%, un amplificador Doherty de 200–300 W de potencia máxima todavía disipa calor sustancial. El amplificador principal, que funciona continuamente, experimenta diferentes tensiones térmicas que el amplificador de pico, que sólo se activa durante las ráfagas de alta potencia. Ciclismo térmico y distribución de temperatura desigual en los transistores pueden degradar la fiabilidad y la linealidad.

Arquitecturas Doherty avanzadas y técnicas de mitigación

Para superar las limitaciones inherentes de la topología clásica Doherty, investigadores e industria han desarrollado una serie de variaciones avanzadas. Estas innovaciones permiten a los amplificadores Doherty cumplir con las exigentes especificaciones de las estaciones base 4G y 5G manteniendo al mismo tiempo el costo y tamaño competitivos.

Asymmetric and Multistage Doherty

En un amplificador de Doherty simétrico, los amplificadores principales y de pico tienen el mismo tamaño del dispositivo y la capacidad de salida. Sin embargo, el efecto de modulación de carga es más eficiente cuando el amplificador de pico es más grande que el amplificador principal, normalmente 1,5 a 2 veces más grande. Esta configuración de Doherty asimétrica extiende el rango de alta eficiencia a niveles de back-off más profundos, 8-12 dBPR sucesivos

Predistorsión digital

El DPD permite un mejor rendimiento de la base de DLT cuando se trata de un dispositivo de control de la base de datos. El DPD funciona creando un modelo inverso de la conducta no lineal del amplificador y preprocesando la señal de la banda base para compensar la distorsión introducida por el amplificador de potencia.

Uso de GaN y otros semiconductores de banda ancha

La adopción de nitridos de gallium (GaN) transistores de alta movilidad de electrones (HEMTs) ha sido un gran habilitador para amplificadores Doherty modernos. GaN ofrece alta tensión de descomposición, alta densidad de corriente y baja capacitancia parasitaria, permitiendo que los diseños Doherty alcancen una alta potencia de salida (100–500 W) con una excelente eficiencia.

Tendencias e innovaciones futuras

A medida que la industria inalámbrica se mueve hacia 5G Advanced y eventualmente 6G, la arquitectura amplificadora Doherty probablemente seguirá evolucionando, integrando con otras técnicas de aumento de la eficiencia y adaptándose a nuevos regímenes de frecuencia.

Integración con el seguimiento de Envelope

El seguimiento de la banda ancha (ET) es una técnica separada que modula el voltaje de suministro del amplificador de potencia en tiempo real para seguir el sobre de la señal RF. Cuando se combina con la amplificación Doherty, ET puede mejorar aún más la eficiencia, especialmente en los niveles de retroceso profundos. Sin embargo, la arquitectura Doherty ya proporciona una excelente eficiencia de back-off, por lo que el beneficio incremental de ET es más pequeño.

Doherty in Massive MIMO and Beamforming

Las estaciones base de MMO masivas utilizan docenas o incluso cientos de elementos de antena, cada uno con su propia cadena transceptora. Los amplificadores de potencia en sistemas MIMO masivos deben ser altamente integrados y de bajo costo, a menudo conducen al uso de amplificadores Doherty altamente eficientes en la ruta del transmisor.

Hacia 6G

6G se espera que se introduzca en la gama de sub-THz (100–300 GHz) y requieran anchos de banda más amplios (multiple gigahertz). En estas frecuencias, la arquitectura Doherty enfrenta retos fundamentales porque los inversos de impedancia de onda trimestral se vuelven extremadamente cortos y perjudiciales.

Conclusión

La arquitectura Doherty amplificador ha demostrado ser una de las innovaciones más impactantes en la amplificación de potencia RF para la infraestructura celular. Al combinar inteligentemente dos amplificadores a través de la modulación de carga, logra una eficiencia sin igual en los niveles de potencia de back-off que dominan las señales 4G y 5G. Mientras que los desafíos como las limitaciones de ancho de banda y la complejidad de diseño permanecen, técnicas avanzadas como topologías asimétricas