Les fondements de l'architecture de l'amplificateur Doherty

L'amplificateur Doherty, conçu par William H. Doherty en 1936 aux Laboratoires Bell Telephone, a connu une remarquable renaissance dans l'infrastructure sans fil moderne. Conçue à l'origine pour les émetteurs de haute puissance, cette architecture constitue désormais l'épine dorsale des circuits d'amélioration de l'efficacité des amplificateurs de puissance des stations de base 4G et 5G. Le socle de l'amplificateur Doherty est élégant : il utilise deux cellules d'amplificateur distinctes – un amplificateur principal (porteur) et un amplificateur de crête (auxiliaire) – travaillant de concert pour améliorer considérablement l'efficacité sur une large gamme de dynamiques, en particulier aux niveaux de puissance nettement inférieurs à la crête.

Les amplificateurs traditionnels de classe AB, bien que linéaires, souffrent d'une forte baisse de l'efficacité lorsque la puissance de sortie est retirée du pic, c'est-à-dire précisément la condition de fonctionnement qui domine les signaux cellulaires modernes. L'architecture Doherty le surmonte en veillant à ce qu'à de faibles niveaux de puissance seul l'amplificateur principal soit actif, fonctionnant à son point de pointe ou à proximité de celui-ci. À mesure que l'enveloppe de signal augmente, l'amplificateur de crête s'allume et, ensemble, ils fournissent la puissance de crête nécessaire tout en maintenant une efficacité élevée sur toute la gamme.

Amplificateur principal versus pic

L'amplificateur principal est généralement biaisé en classe AB (ou parfois en classe B) pour fournir une bonne linéarité à de faibles niveaux de puissance. Il est conçu pour gérer la majorité de la puissance du signal pendant le fonctionnement normal. L'amplificateur de crête, par contre, est biaisé en classe C de sorte qu'il reste éteint (ou presque éteint) pour de faibles niveaux d'entrée. Lorsque le signal d'entrée dépasse un seuil (généralement 6 dB sous la puissance de crête), l'amplificateur de crête s'allume et contribue à la sortie.

Le réseau d'inversion de l'impédance

Le réseau d'inversion d'impédance, généralement une ligne de transmission à quart d'onde placée à la sortie de l'amplificateur principal, transforme l'impédance vue par l'amplificateur principal de manière à ce qu'à faible puissance (en haut), l'amplificateur principal voit une impédance qui maximise son efficacité. L'amplificateur de crête s'allume et livre le courant, l'impédance vue par l'amplificateur principal change, permettant aux deux amplificateurs de fournir efficacement de l'énergie dans la charge. Le réseau de mélange doit être soigneusement conçu pour maintenir une modulation de charge adéquate à tous les niveaux d'alimentation.

Pourquoi les amplificateurs Doherty sont essentiels pour les réseaux 4G et 5G

La transition de 3G à 4G LTE et maintenant à 5G NR a entraîné un changement fondamental dans la nature des signaux transmis. Les premières normes cellulaires utilisaient des modulations à enveloppe constante (par exemple, GMSK de GSM) qui permettaient aux amplificateurs de puissance de fonctionner à proximité de la saturation avec une bonne efficacité. Les formes d'onde de multiplexage de la division de fréquence orthogonale (OFDM), utilisées en LTE et 5G, produisent des signaux avec des rapports de puissance de pointe à moyenne élevée, souvent dans la plage de 7-12 dB. Pour éviter la distorsion des signaux et l'interférence des canaux adjacents, l'amplificateur de puissance doit rester linéaire sur cette vaste gamme dynamique.

Rapport puissance-moyenne élevée

Les signaux 5G NR, en particulier ceux utilisant 256 QAM ou des commandes de modulation supérieures, présentent des PAPR de 8 à 12 dB. La capacité de l'amplificateur Doherty à maintenir une efficacité élevée à 6 à 10 dB en aval répond directement à cette exigence. Dans de nombreux déploiements de macrocellules, la puissance de sortie moyenne est comprise entre 20 et 40 % de la puissance maximale, ce qui correspond à la région où l'amplificateur Doherty fonctionne le plus efficacement.

Efficacité aux niveaux de puissance de secours

L'efficacité à l'arrêt est la mesure de définition pour les amplificateurs de puissance de la station de base. L'architecture Doherty atteint une efficacité théorique de 78,5 % à pleine puissance et conserve toujours une efficacité de 60 à 65 % à l'arrêt de 6 dB, dépassant de loin le 30 à 35 % typique d'un amplificateur de classe AB à l'arrêt de même. Ceci est accompli par modulation de charge: à mesure que l'amplificateur de pointe s'allume, l'impédance de charge effective de l'amplificateur principal est modulée vers le bas, permettant aux deux amplificateurs de fonctionner à une grande efficacité sur une large gamme.

Exigences en matière de linéarité

Bien que l'efficacité soit critique, la linéarité du signal ne peut être compromise. L'amplificateur Doherty introduit intrinsèquement une certaine non-linéarité en raison du comportement de commutation de l'amplificateur de crête et gagne un décalage entre les deux voies. Cependant, avec une conception soignée et l'utilisation de techniques de linéarisation avancées telles que la prédistorsion numérique (DPD), les amplificateurs Doherty peuvent atteindre la pureté spectrale requise pour les masques d'émissions 5G. En fait, la plupart des stations de base 5G commerciales combinent les étapes finales de Doherty avec la DPD mise en œuvre dans des réseaux de portes programmables sur le terrain (FPGA) ou des circuits intégrés spécifiques à l'application (ASIC) pour atteindre des spécifications de linéarité élevées et rigoureuses.

Défis de mise en oeuvre dans les stations de base modernes

Malgré son adoption généralisée, l'amplificateur Doherty présente un ensemble de défis techniques que les ingénieurs RF doivent parcourir lors de la conception des stations de base 4G et 5G. Ces défis deviennent plus aigus à mesure que les fréquences de fonctionnement augmentent dans les bandes de ondes millimétriques pour 5G et au-delà.

Limites de la largeur de bande

Pour les bandes LTE de 4G qui s'étendent entre 70 et 100 MHz, cela est acceptable, mais pour les bandes 5G de sous-alternateurs à 6 GHz qui peuvent couvrir entre 200 et 400 MHz ou plus, la limitation de la bande passante devient une contrainte importante. Les ingénieurs ont développé plusieurs techniques pour étendre la bande passante des amplificateurs Doherty, notamment l'utilisation de lignes offset multiples, de transformateurs à inertie et de réseaux de combinaison novateurs.

Combiner la complexité du réseau

Le réseau de mélangeur doit simultanément fournir une inversion d'impédance, un alignement de phase approprié et une faible perte d'insertion.Tout écart entraîne une dégradation de l'efficacité ou de la linéarité.À des fréquences millimétriques (p. ex. 28 GHz, 39 GHz pour 5G), les lignes de transmission à ondes trimestrielles deviennent extrêmement petites – de l'ordre de quelques millimètres – et leurs effets parasitaires deviennent importants.

Gestion thermique

Même avec un rendement de 70 %, un amplificateur Doherty de 200 à 300 W de puissance maximale dissipe encore une chaleur importante. L'amplificateur principal, qui fonctionne en continu, subit une contrainte thermique différente de celle de l'amplificateur de crête, qui ne s'active que lors de rafales de puissance élevée. Le cycle thermique et la distribution inégale de température à travers les transistors peuvent dégrader la fiabilité et la linéarité.

Architectures Doherty avancées et techniques d'atténuation

Pour surmonter les limites inhérentes à la topologie classique de Doherty, les chercheurs et l'industrie ont développé une multitude de variantes avancées.Ces innovations permettent aux amplificateurs Doherty de satisfaire aux exigences des stations de base 4G et 5G tout en maintenant un coût et une taille compétitifs.

Doherty asymétrique et multistage

Dans un amplificateur symétrique Doherty, les amplificateurs principaux et les amplificateurs de crête ont la même taille d'appareil et la même puissance de sortie. Cependant, l'effet de modulation de charge est le plus efficace lorsque l'amplificateur de crête est dimensionné plus grand que l'amplificateur principal, généralement 1,5 à 2 fois plus grand. Cette configuration asymétrique Doherty étend la plage de haute efficacité à des niveaux de sortie plus profonds – souvent 8-12 dB – ce qui le rend idéal pour l'extrême PAPR de 5G. Les amplificateurs multistage Doherty ajoutent une ou plusieurs étapes supplémentaires de pointe, chacune tournant à des niveaux d'entrée successivement plus élevés, aplatissant davantage la courbe de rendement.

Prédistorsion numérique

La prédistorsion numérique (DPD) est devenue un compagnon essentiel des amplificateurs Doherty dans les stations de base. Les systèmes DPD modernes peuvent corriger la distorsion AM-AM et AM-PM, les effets de mémoire et même la modulation croisée dans les configurations MIMO. Lorsqu'ils sont combinés à un amplificateur Doherty bien conçu, DPD permet un taux de fuite de canaux adjacents (ACLR) de –55 dBc ou mieux, répondant aux exigences réglementaires les plus strictes. Les algorithmes DPD adaptatifs peuvent suivre la température et la dérive du vieillissement, en maintenant les performances tout au long de la vie de la station de base.

Utilisation de ganos et d'autres semi-conducteurs à large bande

L'adoption de transistors haute mobilité électro-électrique (HEMTs) à haute puissance (100–500 W) a été un moteur majeur pour les amplificateurs Doherty modernes. GaN offre une tension de panne élevée, une densité de courant élevée et une faible capacité parasitaire, permettant à Doherty de réaliser une puissance de sortie élevée (100–500 W) à des fréquences élevées avec une excellente efficacité. Le large bandeau permet également de fonctionner à des températures de jonction plus élevées, réduisant ainsi la complexité de la gestion thermique.

Tendances et innovations futures

Alors que l'industrie du sans-fil se dirige vers la 5G Advanced et, éventuellement, la 6G, l'architecture de l'amplificateur Doherty continuera probablement d'évoluer, en s'intégrant à d'autres techniques d'amélioration de l'efficacité et en s'adaptant aux nouveaux régimes de fréquences.

Intégration avec le suivi de l'enveloppe

Le suivi de l'enveloppe (ET) est une technique distincte qui module la tension d'alimentation de l'amplificateur de puissance en temps réel pour suivre l'enveloppe du signal RF. Combiné à l'amplification Doherty, l'ET peut améliorer encore l'efficacité, en particulier aux niveaux de recul profonds. Cependant, l'architecture Doherty offre déjà une excellente efficacité de recul, de sorte que l'avantage incrémental de l'ET est plus petit. Certains chercheurs ont proposé des systèmes hybrides ETPA (enveloppe trawing Doherty) où l'alimentation principale de l'amplificateur est suivie tandis que l'amplificateur de crête est alimenté par une tension fixe, obtenant plus de 75% d'efficacité sur une large gamme de puissance.

Doherty dans le MIMO massif et le beamforming

Les amplificateurs de puissance des systèmes MIMO massifs doivent être très intégrés et peu coûteux, ce qui entraîne souvent l'utilisation d'amplificateurs Doherty très efficaces dans le trajet de l'émetteur. Avec la tendance au fonctionnement par ondes millimétriques, les amplificateurs Doherty basés sur CMOS intégrés directement dans les puces de convertisseurs de faisceaux offrent un chemin prometteur vers les radios 5G à 28 GHz et 39 GHz. Keysight Technologies a publié des méthodologies de conception pour les amplificateurs Doherty à des fréquences millimétriques, montrant que la simulation électromagnétique prudente et la mise en page optimisée des appareils peuvent atteindre 40 % d'efficacité à 28 GHz avec des puissances de sortie supérieures à 30 dBm par élément.

Vers la 6G

6G devrait se déplacer dans la gamme de fréquences sub-THz (100–300 GHz) et nécessiter des bandes passantes encore plus larges (Gigahertz multiple). À ces fréquences, l'architecture Doherty risque de se heurter à des défis fondamentaux, car les onduleurs d'impédance à ondes trimestrielles deviennent extrêmement courts et perdus. De nouvelles topologies basées sur l'amplification distribuée, Doherty onde itinérante et l'utilisation de matériaux diélectriques à haute pression. De plus, les bandes passantes massives requises pour 6G peuvent passer de techniques analogiques Doherty à des faisceaux entièrement numériques avec des amplificateurs à large bande linéaires et hautement efficaces qui ne dépendent pas de la modulation de charge.

Conclusion

L'architecture de l'amplificateur Doherty s'est révélée être l'une des innovations les plus importantes dans l'amplification de la puissance RF pour l'infrastructure cellulaire. En combinant intelligemment deux amplificateurs par modulation de charge, elle atteint une efficacité inégalée aux niveaux de puissance de secours qui dominent les signaux 4G et 5G. Bien que des défis tels que les limites de bande passante et la complexité de conception demeurent, des techniques avancées comme les topologies asymétriques, la prédistortion numérique et la technologie du transistor GaN ont fait de Doherty le choix par défaut pour les stations de base à haute puissance.