I Fondamenti di Architettura Doherty Amplifier

L'amplificatore Doherty, concepito per la prima volta da William H. Doherty nel 1936 presso i Bell Phone Laboratories, ha subito una notevole rinascimento nell'infrastruttura wireless moderna. Originariamente sviluppato per i trasmettitori di trasmissione ad alta potenza, questa architettura ora forma la spina dorsale di circuiti di potenziamento dell'efficienza in 4G e 5G amplificatori di potenza di base.

Gli amplificatori tradizionali di classe AB, mentre lineari, soffrono di una forte diminuzione dell'efficienza in quanto la potenza di uscita è sostenuta dal picco—precisamente la condizione di funzionamento che domina i segnali cellulari moderni. L'architettura Doherty supera questo assicurando che a bassi livelli di potenza solo l'amplificatore principale è attivo, operando o vicino al suo punto di efficienza di picco.

Amplificatore di picco principale Versus

L'amplificatore principale è tipicamente biased in Classe AB (o talvolta Classe B) per fornire una buona linearità a bassi livelli di potenza. È progettato per gestire la maggior parte della potenza del segnale durante il normale funzionamento. L'amplificatore di picco, d'altra parte, è biased in Classe C in modo che rimanga spento (o quasi) per bassi livelli di efficienza di ingresso.

La rete di invertimento dell'impedenza

L'amplificatore di potenza di punta è il motore di un'impedenza invertente, solitamente una linea di trasmissione a onde quadrate posta all'uscita dell'amplificatore principale. Questa rete trasforma l'impedenza vista dall'amplificatore principale in modo tale che a bassa potenza (la presa di corrente), l'amplificatore principale vede un'impedenza che massimizza l'efficienza.

Perché gli amplificatori doherty sono essenziali per le reti 4G e 5G

Il passaggio da 3G a 4G LTE e ora a 5G NR ha portato a un cambiamento fondamentale nella natura dei segnali trasmessi. I primi standard cellulari hanno usato modulazioni di costante-invelope (ad esempio, GSM's GMSK) che hanno permesso agli amplificatori di potenza di operare vicino saturazione con una buona efficienza.

Rapporto di potenza ad alta potenza

5G segnali NR, in particolare quelli che utilizzano 256-QAM o ordini di modulazione più elevati, mostrano PAPR di 8-12 dB. La capacità dell'amplificatore Doherty di mantenere alta efficienza a 6-10 dB back-off affronta direttamente questo requisito. In molti distribuzioni macrocell, la potenza media di uscita è compresa tra il 20 e il 40% della potenza di picco, che corrisponde alla regione in cui l'amplificatore Doherty opera più efficientemente.

Efficienza ai livelli di potenza Back-Off

L'efficienza del back-off è la definizione di amplificatore di potenza della stazione di base. L'architettura Doherty raggiunge un'efficienza teorica del 78,5% a piena potenza e mantiene ancora l'efficienza del 60-65% a 6 dB back-off, superando molto il tipico 30-35% di un amplificatore di classe AB allo stesso back-off.

Requisiti di linearità

Mentre l'efficienza è critica, la linearità del segnale non può essere compromessa. L'amplificatore Doherty introduce intrinsecamente alcune non linearità a causa del comportamento di commutazione dell'amplificatore di picco e guadagna un errore tra i due percorsi. Tuttavia, con un design attento e l'uso di tecniche di linearizzazione avanzate come la predisposizione digitale (DPD), gli amplificatori Doherty possono raggiungere la purezza spettrale necessaria per le maschere di 5G di emissioni implementate.

Sfide di attuazione nelle stazioni di base moderne

Nonostante la sua diffusa adozione, l'amplificatore Doherty presenta una serie di sfide tecniche che gli ingegneri RF devono navigare quando progettano stazioni di base 4G e 5G, che diventano più acute quando le frequenze operative si innalzano nelle bande di onde millimetriche per 5G e oltre.

Limitazioni di larghezza di banda

Gli amplificatori tradizionali Doherty si affidano a inverter di impedenza a onde quadrate, che sono intrinsecamente dispositivi a banda stretta. Per le bande LTE 4G che coprono 70–100 MHz, questo è accettabile, ma per le bande sub-6 GHz 5G che possono coprire 200–400 MHz o più, la limitazione della larghezza di banda ha dimostrato di essere un costrizione significativa.

Combinare la complessità della rete

La rete combinata deve fornire simultaneamente inversione di impedenza, allineamento di fase corretto e perdita di inserimento basso. Qualsiasi deviazione si traduce in efficienza o linearità degradata. A frequenze di millimetro-onda (ad esempio, 28 GHz, 39 GHz per 5G), le linee di trasmissione a onde quadrate diventano estremamente piccole, sull'ordine di pochi millimetri, e i loro effetti parassitari diventano significativi.

Gestione termica

Anche con il 70% di scarico, un amplificatore Doherty da 200 a 300 W dissipa ancora calore sostanziale. L'amplificatore principale, che opera continuamente, sperimenta lo stress termico diverso rispetto all'amplificatore di picco, che si attiva solo durante i colpi di alta potenza. La distribuzione termica del ciclismo e della temperatura irregolare attraverso i transistor può degradare l'affidabilità e la linearità.

Architetture e tecniche di mitigazione avanzate

Per superare i limiti insiti della classica topologia Doherty, i ricercatori e l'industria hanno sviluppato una serie di variazioni avanzate, che permettono agli amplificatori Doherty di soddisfare le specifiche esigenti delle stazioni di base 4G e 5G mantenendo al contempo costi e dimensioni competitivi.

Asimmetrico e Multistadio Doherty

In un amplificatore simmetrico Doherty, gli amplificatori principali e di picco hanno la stessa dimensione del dispositivo e potenza di uscita. Tuttavia, l'effetto di modulazione del carico è più efficiente quando l'amplificatore di picco è dimensionato più grande dell'amplificatore principale, tipicamente 1,5 a 2 volte più grande. Questa configurazione asimmetrica Doherty estende la gamma di efficienza ad alta efficienza ai livelli di back-off più profondi—spesso 8–12 dB— rendendolo ideale per l'estremamente

Predistorsione digitale

DPD funziona creando un modello inverso del comportamento non lineare dell'amplificatore e pre-elaborazione del segnale della banda di base per compensare la distorsione introdotta dall'amplificatore di potenza.

Uso dei semiconduttori GaN e altri bandgap

L'adozione di transistor ad alta potenza (HEMT) di nitride di gallio (GaN) è stata un importante attore per gli amplificatori moderni Doherty. GaN offre alta tensione di rottura, alta densità di corrente e bassa capacità parassita, permettendo Doherty progetta di raggiungere alta potenza di uscita (100–500 W) ad alte frequenze con un'eccellente efficienza.

Tendenze e innovazioni future

Mentre l'industria wireless si muove verso 5G Advanced e alla fine 6G, l'architettura dell'amplificatore Doherty probabilmente continuerà ad evolversi, integrandosi con altre tecniche di miglioramento dell'efficienza e adattandosi a nuovi regimi di frequenza.

Integrazione con il tracciamento della busta

Il monitoraggio delle buste (ET) è una tecnica separata che modula la tensione di alimentazione dell'amplificatore in tempo reale per seguire la busta del segnale RF. Quando combinato con l'amplificazione Doherty, ET può migliorare ulteriormente l'efficienza, in particolare a livelli di back-off profondi. Tuttavia, l'architettura Doherty fornisce già un'eccellente efficienza di back-off, quindi il vantaggio incrementale di ET è più piccolo. Alcuni ricercatori hanno proposto i sistemi di ETPA ibrido (enlope Track Track Track Track Track Track Track Track Tracking Doherty Doherty Doherty Doherty Doherty Doherty Doherty Doherty Doherty Doherty Doherty Doherty Doherty Doherty Doherty

Doherty in Massive MIMO e Beamforming

Le stazioni di base MMO di massa utilizzano decine o anche centinaia di elementi dell'antenna, ognuna con la propria catena di transceiver. Gli amplificatori di potenza in sistemi MMO di massa devono essere altamente integrati e a basso costo, spesso portando all'uso di amplificatori Doherty altamente efficienti nel percorso del trasmettitore.

Verso 6G

6G dovrebbe spingere nella gamma sub-THz (100–300 GHz) e richiedere anche più ampie frequenze (multiple gigahertz). A queste frequenze, l'architettura Doherty affronta sfide fondamentali perché gli inverter di impedenza di quarto-onda diventano estremamente brevi e disperati.

Conclusioni

L'architettura dell'amplificatore Doherty si è dimostrata una delle innovazioni più efficaci nell'amplificazione di potenza RF per l'infrastruttura cellulare. Combinando intelligentemente due amplificatori attraverso la modulazione del carico, raggiunge un'efficienza senza pari ai livelli di potenza back-off che dominano i segnali 4G e 5G.