De Fundamentals van Doherty Versterkbare Architectuur

De Doherty versterker, eerst ontworpen door William H. Doherty in 1936 bij Bell Telephone Laboratories, heeft een opmerkelijke renaissance ondergaan in moderne draadloze infrastructuur. Oorspronkelijk ontwikkeld voor high-power broadcast transmitters, deze architectuur vormt nu de ruggengraat van efficiëntie-verbeterende circuits in 4G en 5G basisstation power versterkers. De kern van de Doherty versterker is elegant: het maakt gebruik van twee verschillende versterkercellen een hoofd (drager) versterker en een piek (een outuplet) versterker werken in concert om de efficiëntie over een breed dynamisch bereik drastisch te verbeteren, vooral bij vermogensniveaus aanzienlijk onder de piek.

Traditionele klasse AB versterkers, terwijl lineair, lijden aan een scherpe daling van de efficiëntie als het uitgangsvermogen wordt afgekoppeld van de piek-en exact de werkingstoestand die de moderne cellulaire signalen domineert. De architectuur van Doherty overwint dit door ervoor te zorgen dat bij lage vermogens alleen de belangrijkste versterker actief is, werkt op of nabij het piek-efficiëntiepunt. Naarmate de signaalenvelop toeneemt, de piekversterker aan, en samen leveren ze de nodige piekvermogen terwijl het handhaven van hoge efficiëntie over het hele bereik. Deze mogelijkheid om de afvoerefficiëntie boven 40.50% zelfs bij 6.0 dB back-off maakt de Doherty versterker onmisbaar voor basisstations die hoge piek-tot-gemiddelde vermogensratio (PAPR) signalen.

Hoofdversuspiekversterker

De hoofdversterker is meestal bevooroordeeld in klasse AB (of soms klasse B) om een goede lineariteit te bieden bij lage vermogensniveaus. Het is ontworpen om het merendeel van het signaalvermogen tijdens normale werking te hanteren. De piekversterker daarentegen is bevooroordeeld in klasse C zodat het uit (of bijna uit) blijft voor lage ingangsniveaus. Wanneer het ingangssignaal een drempel overschrijdt (gewoonlijk 6 dB onder piekvermogen), draait de piekversterker aan en draagt bij aan de output. De precieze turn-on punt en de versterkingskenmerken van de twee versterkers zijn van cruciaal belang voor het bereiken van zowel hoge efficiëntie als lineariteit.

Het impedantie-omkeren netwerk

Centraal in de werking van de Doherty-versterker staat het impedantie-omkeren van het netwerk, meestal een kwartgolftransmissielijn die aan de uitgang van de hoofdversterker wordt geplaatst. Dit netwerk transformeert de impedantie die door de hoofdversterker wordt gezien op een zodanige wijze dat bij een laag vermogen (uit) de hoofdversterker een impedantie ziet die de efficiëntie ervan maximaliseert. Als de piekversterker aanstaat en stroom levert, verandert de impedantie die door de hoofdversterker wordt gezien, waardoor beide versterkers energie efficiënt kunnen leveren in de belasting. Het netwerk van de combinatie moet zorgvuldig worden ontworpen om de juiste belastingmodulatie op alle vermogensniveaus te behouden. Geavanceerde Doherty-implementaties gebruiken vaak offsetlijnen, klomp-elementequivalenten of meer-sectie transformatoren om een bredere bandbreedte en betere prestaties te bereiken.

Waarom Doherty Versterkers zijn essentieel voor 4G en 5G netwerken

De overgang van 3G naar 4G LTE en nu naar 5G NR zorgde voor een fundamentele verschuiving in de aard van de verzonden signalen. Vroege cellulaire standaarden gebruikten constant-envelop modulaties (bijvoorbeeld GSM's GMSK) die het mogelijk maakte stroomversterkers te werken in de buurt van verzadiging met goede efficiëntie. Moderne orthogonale frequentieverdeling multiplexing (OFDM) golfvormen, gebruikt in LTE en 5G, produceren signalen met hoge piek-tot-gemiddelde vermogensverhoudingen .Vaak in het bereik van 7

Hoge piek-tot-gemiddelde vermogensverhouding

5G NR signalen, vooral die welke 256-QAM of hogere modulatie orders gebruiken, vertonen PAPRs van 8

Efficiëntie bij Back-Off Power levels

Efficiëntie bij terugslag is de bepalende metriek voor basisstation power versterkers. De Doherty architectuur bereikt een theoretisch rendement van 78,5% bij vol vermogen en behoudt nog steeds 60 .5 in- en uitvalsefficiëntie bij 6 dB back-off, veel meer dan een klasse AB versterker typerend 30 .35% bij dezelfde back-off. Dit wordt bereikt door belasting modulatie: als de piekversterker aanstaat, wordt de effectieve belastingsimpedantie van de hoofdversterker naar beneden gemoduleerd, waardoor beide versterkers werken op een hoog rendement over een breed bereik. Moderne GaN-gebaseerde Doherty implementaties hebben aangetoond dat de afvoerefficiënties meer dan 70% bij 8 dB back-off voor 5G NR golfvormen.

Lineariteitsvereisten

Hoewel efficiëntie cruciaal is, kan de signaallineairheid niet in gevaar worden gebracht. De Doherty-versterker introduceert inherent een aantal niet-lineairheid als gevolg van het schakelen van het versterker en krijgt een mismatch tussen de twee paden. Echter, met een zorgvuldig ontwerp en het gebruik van geavanceerde linearisatietechnieken zoals digitale predistortie (DPD), Doherty-versterkers kan de spectrale zuiverheid bereiken die vereist is voor 5G emissiemaskers. In feite, de meeste commerciële 5G basisstations combineren Doherty laatste stadia met DPD geïmplementeerd in veldprogrammeerbare poort arrays (FPGA's) of toepassingsspecifieke geïntegreerde circuits (ASIC's) om zowel hoge efficiëntie als strenge linearity specificaties te bereiken.

Implementatie Uitdagingen in moderne basisstations

Ondanks de wijdverbreide goedkeuring, de Doherty versterker presenteert een reeks technische uitdagingen die RF ingenieurs moeten navigeren bij het ontwerpen van 4G en 5G basisstations. Deze uitdagingen worden acuter als de werkfrequenties stijgen in de millimeter-golf banden voor 5G en daarbuiten.

Bandbreedte Beperkingen

Traditionele Doherty-versterkers zijn afhankelijk van kwartgolfimpedantie-omvormers, die inherent smalbandapparatuur zijn. Voor 4G LTE-banden met een lengte van 70 .100 MHz is dit aanvaardbaar, maar voor 5G sub-6 GHz-banden met een capaciteit van 200 .400 MHz of meer wordt de bandbreedtebeperking een belangrijke beperking. Ingenieurs hebben verschillende technieken ontwikkeld om de bandbreedte van Doherty-versterkers uit te breiden, waaronder het gebruik van meerdere offsetlijnen, step-impedantietransformatoren en nieuwe netwerken. Recent onderzoek heeft aangetoond dat Doherty-versterkers werken over 600 MHz van momentane bandbreedte met behulp van gekoppelde lijnstructuren en geavanceerde substraatmaterialen.

Netwerkcomplex combineren

Het combinernetwerk moet tegelijkertijd impedantie-inversie, juiste faseuitlijning en laag invoegverlies bieden. Elke afwijking resulteert in verminderde efficiëntie of lineariteit. Bij millimetergolffrequenties (bijv. 28 GHz, 39 GHz voor 5G), worden de kwartgolftransmissielijnen extreem klein in de volgorde van een paar millimeters en hun parasitaire effecten worden significant. Dit vereist extreem strakke fabricagetoleranties en het gebruik van geavanceerde verpakkingstechnieken. Sommige ontwerpers zijn overgegaan tot implementaties op de chip Doherty met behulp van siliciumgebaseerde processen (SiGe BiCMOS, 45-nm RFSOI) om de versterkers en het combineerde netwerk te co-integreren, hoewel de lagere kwaliteitsfactor van on-chippassieve oplossingen de efficiëntie beperkt ten opzichte van GaN-gebaseerde discrete oplossingen.

Thermisch beheer

Zelfs met 70% afvoerefficiëntie, een 200 .300 W piekvermogen Doherty versterker nog steeds dissipatie van aanzienlijke warmte. De belangrijkste versterker, die continu werkt, ervaren andere thermische stress dan de piekversterker, die alleen activeert tijdens high-power barsts. Thermische fietsen en ongelijke temperatuurverdeling over de transistors kunnen de betrouwbaarheid en lineariteit afbreken. Basisstation ontwerpen moeten geavanceerde thermische oplossingen zoals dampkamers, vloeistofkoeling en thermische interface materialen geoptimaliseerd voor high-power GaN apparaten omvatten. De fysieke indeling van de Doherty cellen moet ook rekening houden met thermische koppeling tussen de twee versterkers om te voorkomen dat een van de andere te veel verhitting.

Geavanceerde Doherty Architectuur en Mitigatie Technieken

Om de inherente beperkingen van de klassieke Doherty topologie te overwinnen, hebben onderzoekers en industrie een groot aantal geavanceerde variaties ontwikkeld. Deze innovaties stellen Doherty-versterkers in staat om te voldoen aan de veeleisende specificaties van 4G en 5G basisstations, terwijl de concurrerende kosten en grootte behouden blijven.

Asymmetrische en meertraps Doherty

In een symmetrische Doherty-versterker hebben de hoofdversterkers en piekversterkers dezelfde apparaatgrootte en uitgangsvermogen. Echter, de belastingmodulatie-effect is het meest efficiënt wanneer de piekversterker groter is dan de hoofdversterker, meestal 1,5 tot 2 keer groter. Deze asymmetrische Doherty configuratie breidt het hoge rendement bereik uit tot diepere back-off levels .Vaak 8

Digitale voorvervorming

Digitale predistortie (DPD) is een essentiële metgezel geworden van Doherty-versterkers in basisstations. DPD werkt door het creëren van een invers model van het niet-lineaire gedrag van de versterker en het voorbewerking van het basisbandsignaal ter compensatie van de vervorming die door de voedingsversterker wordt geïntroduceerd. Moderne DPD-systemen kunnen corrigeren voor AM-AM en AM-PM vervorming, geheugeneffecten en zelfs cross-modulatie in MIMO configuraties. Wanneer gecombineerd met een goed ontworpen Doherty-versterker, DPD maakt aangrenzende kanaallekkage ratio (ACLR) waarden van

Gebruik van GaN en andere brede bandgap-securitisaties

De goedkeuring van galliumdistillator (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMTs) is een belangrijke enabler voor moderne Doherty-versterkers. GaN biedt hoge afbraakspanning, hoge stroomdichtheid en lage parasitaire capaciteit, waardoor Doherty ontwerpen om hoge output vermogen (100

Naarmate de draadloze industrie naar 5G Geavanceerd en uiteindelijk 6G beweegt, zal de architectuur van de Doherty-versterker waarschijnlijk blijven evolueren, integreren met andere efficiëntiebevorderende technieken en zich aanpassen aan nieuwe frequentieregimes.

Integratie met envelop volgen

Envelop tracking (ET) is een aparte techniek die de voedingsspanning van de voedingsversterker in real time moduleert om de envelop van het RF-signaal te volgen. In combinatie met Doherty versterking kan ET de efficiëntie verder verbeteren, vooral bij diepe back-off niveaus. Echter, de Doherty architectuur biedt al uitstekende back-off efficiëntie, zodat het incrementele voordeel van ET kleiner is. Sommige onderzoekers hebben hybride ETPA (envelope tracking Doherty) systemen voorgesteld waar de hoofdversterker voeding wordt gevolgd terwijl de piekversterker wordt geleverd van een vaste spanning, waardoor meer dan 75% efficiëntie binnen een breed vermogensbereik bereikt wordt. Dergelijke systemen vereisen zeer snelle, hoge bandbreedte envelop modulatoren, die haalbaar worden met GaN schakelaars en geavanceerde digitale controle.

Doherty in Mimive MIMO en Beamforming

Massive MIMO basisstations gebruiken tientallen of zelfs honderden antenne-elementen, elk met zijn eigen transceiverketen. Power-versterkers in massieve MIMO-systemen moeten zeer geïntegreerd en goedkoop zijn, vaak leidend tot het gebruik van zeer efficiënte Doherty-versterkers in het transmitterpad. Met de trend naar een milimetergolfoperatie bieden CMOS-gebaseerde Doherty-versterkers die direct in de bundelvormerchips zijn geïntegreerd, een veelbelovende route naar 5G-radio's op 28 GHz en 39 GHz. Bijvoorbeeld, Keysight Technologies heeft ontwerpmethodologieën voor Doherty-versterkers gepubliceerd bij millimetergolffrequenties, waaruit blijkt dat zorgvuldige elektromagnetische simulatie en geoptimaliseerde apparaatsindeling 40% rendement kan bereiken bij 28 GHz met een uitgangsvermogen van meer dan 30 GHz per element.

Naar 6G

6G zal naar verwachting in het sub-THz bereik (100.2300 GHz) duwen en zelfs grotere bandbreedtes (meervoudige gigahertz) vereisen. Bij deze frequenties staat de architectuur van Doherty voor fundamentele uitdagingen omdat de quarter-wave impedantie omvormers extreem kort en verliesloos worden. Nieuwe topologieën gebaseerd op gedistribueerde amplificatie, reizende-golf Doherty, en het gebruik van high-epsilon-impedantie materialen kunnen ontstaan. Bovendien kunnen de enorme bandbreedtes die nodig zijn voor 6G de focus verschuiven van analoge Doherty technieken naar volledig digitale beamvormen met zeer efficiënte, lineaire, bredeband versterkers die niet afhankelijk zijn van lading modulatie. Niettemin zal het onderliggende principe dat hoge-PAPR signalen efficiënt worden verwerkt relevant blijven, en zullen variaties van het Doherty concept waarschijnlijk blijven bestaan in hybride vormen.

Conclusie

De architectuur van de Doherty-versterker is bewezen een van de meest impactvolle innovaties in RF-vermogensversterking voor cellulaire infrastructuur te zijn. Door het intelligent combineren van twee versterkers door middel van ladingmodulatie, bereikt het ongeëvenaarde efficiëntie bij de back-off power levels die 4G en 5G signalen domineren. Terwijl uitdagingen zoals bandbreedtebeperkingen en ontwerpcomplexiteit blijven bestaan, hebben geavanceerde technieken zoals asymmetrische topologieën, digitale predistorie en GaN transistortechnologie Doherty de standaardkeuze voor high-power basisstations gemaakt. Aangezien draadloze systemen blijven evolueren naar grotere bandbreedtes, hogere frequenties en massieve MIMO arrays, zal de architectuur van Doherty blijven aanpassen, zodat netwerkexploitanten de door abonnees gevraagde gegevenssnelheid en dekking kunnen leveren terwijl zij de energiekosten beheersen. Voor ingenieurs die de volgende generatie van basisstationvermogens ontwerpen, blijft een grondig begrip van de principes van Doherty en hun praktische implementatie essentieel.