Изучение использования архитектуры усилителя Доэрти в базовых станциях 4g и 5g

Основы архитектуры усилителя Доэрти

Усилитель Доэрти, впервые задуманный Уильямом Х. Доэрти в 1936 году в Bell Telephone Laboratories, претерпел замечательный ренессанс в современной беспроводной инфраструктуре. Первоначально разработанная для мощных передатчиков вещания, эта архитектура теперь формирует основу схем повышения эффективности в усилителях мощности базовых станций 4G и 5G. Основная предпосылка усилителя Доэрти элегантна: он использует два отдельных усилителя усилителя - основной (носитель) усилитель и пиковый (вспомогательный) усилитель - работающий совместно, чтобы значительно повысить эффективность в широком динамическом диапазоне, особенно на уровнях мощности значительно ниже пика.

Традиционные усилители класса AB, хотя и линейные, страдают от резкого падения эффективности, поскольку выходная мощность отступает от пика - именно рабочее состояние, которое доминирует в современных сотовых сигналах. Архитектура Doherty преодолевает это, гарантируя, что при низких уровнях мощности активен только главный усилитель, работающий в или вблизи его пиковой точки эффективности. По мере увеличения оболочки сигнала включается пиковый усилитель, и вместе они обеспечивают необходимую пиковую мощность при сохранении высокой эффективности во всем диапазоне. Эта способность поддерживать эффективность отвода выше 40-50% даже при отсрочке 6-8 дБ делает усилитель Doherty незаменимым для базовых станций, обрабатывающих сигналы с высоким соотношением мощности к среднему (PAPR).

Основной усилитель Versus Peaking

Основной усилитель обычно смещен в классе AB (или иногда класс B), чтобы обеспечить хорошую линейность при низких уровнях мощности. Он предназначен для обработки большей части мощности сигнала во время нормальной работы. Пиковый усилитель, с другой стороны, смещен в классе C, чтобы он оставался выключенным (или почти выключенным) для низких уровней ввода. Когда входной сигнал превышает порог (обычно 6 дБ ниже пиковой мощности), пиковый усилитель включается и способствует выходу. Точная точка включения и характеристики усиления двух усилителей имеют решающее значение для достижения как высокой эффективности, так и линейности.

Сеть инвертирования импеданса

Центральным в работе усилителя Доэрти является инвертирующая сеть импеданса, обычно четвертьволновая линия передачи, размещенная на выходе главного усилителя. Эта сеть преобразует импеданс, видимый основным усилителем, таким образом, что при малой мощности (выключении) главный усилитель видит импеданс, который максимизирует его эффективность. По мере включения пикового усилителя и подачи тока изменяется импеданс, видимый основным усилителем, позволяя обоим усилителям эффективно доставлять мощность в нагрузку. Сеть комбинатора должна быть тщательно спроектирована для поддержания надлежащей модуляции нагрузки на всех уровнях мощности. В продвинутых реализациях Доэрти часто используются офсетные линии, эквиваленты сплавов или многосекционные трансформаторы для достижения более широкой полосы пропускания и лучшей производительности.

Почему усилители Doherty необходимы для сетей 4G и 5G

Переход от 3G к 4G LTE и теперь к 5G NR привел к фундаментальному сдвигу в природе передаваемых сигналов. Ранние сотовые стандарты использовали модуляции с постоянными конвертами (например, GSM GMSK), которые позволяли усилителям мощности работать вблизи насыщения с хорошей эффективностью. Современные ортогональные мультиплексирующие волны с разделением частот (OFDM), используемые в LTE и 5G, производят сигналы с высоким соотношением мощности к пику - часто в диапазоне 7-12 дБ. Чтобы избежать искажения сигнала и смежной помехи канала, усилитель мощности должен оставаться линейным в этом большом динамическом диапазоне. Без методов повышения эффективности, таких как Doherty, обычный усилитель класса AB будет тратить более 80% мощности постоянного тока в качестве тепла при работе при отключке на 6 дБ. В базовой станции, потребляющей несколько сотен ватт мощности радиочастот, что приравнивается к огромным энергетическим отходам и проблемам охлаждения.

Высокое пиковое соотношение мощности к среднему

Сигналы 5G NR, особенно те, которые используют 256-QAM или более высокие заказы модуляции, демонстрируют ПАРП 8-12 дБ. Способность усилителя Doherty поддерживать высокую эффективность при отставании 6-10 дБ напрямую отвечает этому требованию. Во многих развертываниях макросот средняя выходная мощность составляет от 20 до 40% пиковой мощности, что соответствует региону, где усилитель Doherty работает наиболее эффективно. Данные полей от крупных поставщиков инфраструктуры показывают, что замена традиционных конечных этапов класса AB архитектурами Doherty дает 30-50-процентное снижение потребления энергии на базовую станцию, переводя в значительную экономию эксплуатационных расходов для операторов мобильной сети.

Эффективность на уровне обратного выхода мощности

Эффективность в обратном выключении является определяющей метрикой для усилителей мощности базовой станции. Архитектура Doherty достигает теоретической эффективности 78,5% при полной мощности и по-прежнему сохраняет 60-65% эффективности при 6 дБ обратном выключении, что намного превышает типичный 30-35 % усилителя класса AB при том же выключении. Это достигается за счет модуляции нагрузки: по мере включения пикового усилителя эффективное сопротивление нагрузки основного усилителя модулируется вниз, позволяя обоим усилителям работать с высокой эффективностью в широком диапазоне. Современные реализации Doherty на основе GaN продемонстрировали эффективность отвода, превышающую 70 % при 8 дБ выключении для 5G NR.

Требования к линейности

Хотя эффективность имеет решающее значение, линейность сигнала не может быть скомпрометирована. Усилитель Доэрти по своей сути вводит некоторую нелинейность из-за коммутационного поведения пикового усилителя и несоответствия между двумя путями. Однако при тщательной разработке и использовании передовых методов линеаризации, таких как цифровое искажение (DPD), усилители Доэрти могут достичь спектральной чистоты, необходимой для масок выбросов 5G. Фактически, большинство коммерческих базовых станций 5G объединяют конечные стадии Доэрти с DPD, реализованными в программируемых в полевых условиях массивах затворов (FPGA) или интегральных схемах для конкретных приложений (ASIC) для достижения как высокой эффективности, так и строгих спецификаций линейности.

Проблемы внедрения на современных базовых станциях

Несмотря на широкое распространение, усилитель Doherty представляет собой набор технических проблем, с которыми инженеры РФ должны ориентироваться при проектировании базовых станций 4G и 5G. Эти проблемы становятся более острыми по мере того, как рабочие частоты поднимаются в миллиметровые диапазоны волн для 5G и за его пределами.

Ограничения пропускной способности

Традиционные усилители Doherty полагаются на инверторы импеданса четверти волны, которые по своей сути являются узкополосными устройствами. Для полос 4G LTE, которые охватывают 70–100 МГц, это приемлемо, но для полос 5G суб-6 ГГц, которые могут охватывать 200–400 МГц или более, ограничение полосы пропускания становится значительным ограничением. Инженеры разработали несколько методов для расширения полосы пропускания усилителей Doherty, включая использование нескольких линий смещения, трансформаторов ступенчатого давления и новых комбинирующих сетей. Недавние исследования продемонстрировали усилители Doherty, работающие на более чем 600 МГц мгновенной полосы пропускания с использованием структур с сопряженной линией и передовых материалов подложки.

Сочетание сетевой сложности

Сеть комбинатора должна одновременно обеспечивать инверсию импеданса, правильное выравнивание фаз и низкую потерю вставки. Любое отклонение приводит к снижению эффективности или линейности. На миллиметровых частотах (например, 28 ГГц, 39 ГГц для 5G) четвертичные линии передачи становятся чрезвычайно маленькими - порядка нескольких миллиметров - и их паразитные эффекты становятся значительными. Это требует чрезвычайно жестких допусков изготовления и использования передовых методов упаковки. Некоторые дизайнеры обратились к реализациям на чипе Doherty с использованием процессов на основе кремния (SiGe BiCMOS, 45-нм RFSOI) для совместной интеграции усилителей и комбинаторной сети, хотя более низкий коэффициент качества на чипе ограничивает эффективность по сравнению с дискретными решениями на основе GaN.

Термический менеджмент

Даже при 70% эффективности слива усилитель Doherty пиковой мощности мощностью 200-300 Вт по-прежнему рассеивает существенное тепло. Основной усилитель, который работает непрерывно, испытывает различное тепловое напряжение, чем пиковый усилитель, который активируется только во время мощных всплесков. Тепловая цикличность и неравномерное распределение температуры по транзисторам могут ухудшить надежность и линейность. Конструкции базовой станции должны включать в себя передовые тепловые решения, такие как паровые камеры, жидкое охлаждение и материалы теплового интерфейса, оптимизированные для мощных устройств GaN. Физическая компоновка ячеек Doherty также должна учитывать тепловую связь между двумя усилителями, чтобы предотвратить чрезмерное нагревание одного из них.

Передовые архитектуры Доэрти и методы смягчения

Чтобы преодолеть присущие классической топологии Doherty ограничения, исследователи и промышленность разработали множество передовых вариаций.Эти инновации позволяют усилителям Doherty соответствовать требовательным спецификациям базовых станций 4G и 5G при сохранении конкурентоспособной стоимости и размера.

Асимметричная и многоступенчатая доэрти

В симметричном усилителе Doherty основные и пиковые усилители имеют одинаковый размер устройства и мощность вывода. Однако эффект модуляции нагрузки наиболее эффективен, когда пиковый усилитель размером больше, чем основной усилитель, как правило, в 1,5-2 раза больше. Эта асимметричная конфигурация Doherty расширяет диапазон высокой эффективности до более глубоких уровней обратного отключения - часто 8-12 дБ - что делает его идеальным для экстремального PAPR 5G. Усилители Multistage Doherty добавляют одну или несколько дополнительных пиковых стадий, каждый из которых включается на последовательно более высоких уровнях ввода, дополнительно сглаживая кривую эффективности. В то время как более сложные для проектирования и смещения, эти многоступенчатые архитектуры могут достичь 40% эффективности при отставании 12 дБ, замечательный подвиг.

Цифровое искажение

Цифровое преискажение (DPD) стало существенным спутником усилителей Doherty на базовых станциях. DPD работает путем создания обратной модели нелинейного поведения усилителя и предварительной обработки сигнала базовой полосы для компенсации искажений, вносимых усилителем мощности. Современные системы DPD могут корректировать искажения AM-AM и AM-PM, эффекты памяти и даже кросс-модулирование в конфигурациях MIMO. В сочетании с хорошо разработанным усилителем Doherty DPD позволяет использовать значения коэффициента утечки соседних каналов (ACLR) -55 дБк или лучше, удовлетворяя самым строгим нормативным требованиям. Алгоритмы Adaptive DPD могут отслеживать температуру и дрейф старения, поддерживая производительность в течение срока службы базовой станции. Для дальнейшего чтения по технологиям DPD см. техническую статью по DPD для базовых станций 5G .

Использование GaN и других широкополосных полупроводников

Принятие нитрида галлия (GaN) высокоэлектронно-мобильных транзисторов (HEMT) было основным фактором для современных усилителей Доэрти. GaN предлагает высокое напряжение пробоя, высокую плотность тока и низкую паразитную емкость, что позволяет конструкциям Доэрти достигать высокой выходной мощности (100-500 Вт) на высоких частотах с отличной эффективностью. Широкий диапазон также позволяет работать при более высоких температурах перехода, снижая сложность управления температурой. Другие широкодиапазонные материалы, такие как карбид кремния (SiC), используются в некоторых мощных конструкциях, хотя SiC обычно не имеет RF производительности GaN. Комбинация устройств GaN с архитектурой Доэрти стала золотым стандартом для макросот и массивных базовых станций MIMO. Такие компании, как Qorvo предлагают усилители мощности GaN-on-SiC Doherty , специально оптимизированные для инфраструктуры 5G.

Будущие тенденции и инновации

По мере того, как беспроводная индустрия движется к 5G Advanced и, в конечном итоге, 6G, архитектура усилителя Doherty, вероятно, будет продолжать развиваться, интегрируясь с другими методами повышения эффективности и адаптируясь к новым частотным режимам.

Интеграция с Envelope Tracking

Отдельный метод, который модулирует напряжение питания усилителя мощности в режиме реального времени, чтобы следовать за оболочкой радиочастотного сигнала. При сочетании с усилением Доэрти, ET может дополнительно повысить эффективность, особенно на глубоких уровнях обратного отключения. Однако архитектура Доэрти уже обеспечивает отличную эффективность обратного отключения, поэтому инкрементное преимущество ET меньше. Некоторые исследователи предложили гибридные системы ETPA (отслеживание контура Доэрти), где отслеживается питание основного усилителя, в то время как пиковый усилитель подается от фиксированного напряжения, достигая более 75% эффективности в широком диапазоне мощности. Такие системы требуют очень быстрых, высокоширотных модуляторов оболочки, которые становятся возможными с коммутаторами GaN и передовым цифровым управлением.

Доэрти в Massive MIMO и Beamforming

Массивные базовые станции MIMO используют десятки или даже сотни антенных элементов, каждый со своей собственной цепочкой приемопередатчиков. Усилители мощности в массивных системах MIMO должны быть высокоинтегрированными и недорогими, что часто приводит к использованию высокоэффективных усилителей Doherty на пути передатчика. С тенденцией к работе с миллиметровыми волнами усилители Doherty на основе CMOS, интегрированные непосредственно в чипы лучеобразователей, предлагают многообещающий путь к радиостанциям 5G на частотах 28 ГГц и 39 ГГц. Например, Keysight Technologies опубликовала методологии проектирования усилителей Doherty на частотах миллиметровых волн , показывающие, что тщательное электромагнитное моделирование и оптимизированная компоновка устройства могут достигать 40% эффективности на частоте 28 ГГц с выходными мощностями, превышающими 30 дБм на элемент.

В сторону 6G

Ожидается, что 6G будет продвигаться в диапазон суб-THz (100-300 ГГц) и потребует еще более широких полос пропускания (много гигагерц). На этих частотах архитектура Doherty сталкивается с фундаментальными проблемами, потому что инверторы импеданса четверти волны становятся чрезвычайно короткими и потерянными. Могут появиться новые топологии, основанные на распределенном усилении, путешествующей волне Doherty и использовании диэлектрических материалов с высокой эпсилоновой частотой. Кроме того, массивные полосы пропускания, необходимые для 6G, могут смещать фокус с аналоговых методов Doherty на полностью цифровое формирование луча с высокоэффективными, линейными, широкополосными усилителями, которые не полагаются на модуляцию нагрузки. Тем не менее, основной принцип - эффективная обработка сигналов с высокой частотой передачи - останется актуальным, и вариации концепции Doherty, вероятно, будут сохраняться в гибридных формах.

Заключение

Архитектура усилителя Doherty оказалась одной из самых эффективных инноваций в области усиления мощности радиочастот для сотовой инфраструктуры. Благодаря интеллектуальному объединению двух усилителей посредством модуляции нагрузки она достигает беспрецедентной эффективности на уровнях обратной мощности, которые доминируют в сигналах 4G и 5G. В то время как такие проблемы, как ограничения полосы пропускания и сложность проектирования, остаются, передовые методы, такие как асимметричные топологии, цифровое искажение и технология транзисторов GaN, сделали Doherty выбором по умолчанию для мощных базовых станций. Поскольку беспроводные системы продолжают развиваться в направлении более широких полос пропускания, более высоких частот и массивных MIMO-массивов, архитектура Doherty будет продолжать адаптироваться, гарантируя, что сетевые операторы могут доставлять скорость передачи данных и покрытие, требуемое абонентами, контролируя затраты энергии. Для инженеров, проектирующих следующее поколение усилителей мощности базовых станций, глубокое понимание принципов Doherty и их практическая реализация остается необходимой.