Wstyd się przyznać ale nadziałem się na temat, który wprowadził mnie w zakłopotanie z powodu skali złożoności technicznego rozwiązania w dziedzinie wzmacniaczy elektronicznych, a konkretnie w wzmacniaczy mikrofalowych Doherty’ego. Okazało się, że hasło wzmacniacz Doherty’ego jest dla mnie białą plamą, pomimo że uważałem tematykę wzmacniaczy elektronicznych za wszechstronnie spenetrowaną. Na usprawiedliwienie mogę tylko stwierdzić, że tego typu wzmacniacze rozpowszechnione są w technice stacji bazowych sieci komórkowych, które za moich młodych lat kształcenia zawodowego jeszcze nie powstały. A teraz w ramach wstępu kilka uproszczonych informacji na temat tego rodzaju wzmacniaczy. Wzmacniacz Doherty’ego wykorzystuje dwa wzmacniacze, aby zoptymalizować ogólną wydajność systemu nadawczego LTE. Wzmacniacz nośnej (lub wzmacniacz główny) obsługuje zakres niskiej mocy, a wzmacniacz szczytowy (lub wzmacniacz pomocniczy) zakres wysokiej mocy. Brzmi to prosto, ale praktyczna implementacja może być trudna.
Rysunek przedstawia klasyczny wzmacniacz Doherty’ego z dwoma ścieżkami wzmacniającymi, obie zasilane ze sprzęgacza hybrydowego. Wzmacniacz nośnej jest zawsze włączony, podczas gdy wzmacniacz szczytowy pozostaje bezczynny, chyba że sygnał znajdzie się w obszarze wysokiej mocy. W obszarze wysokiej mocy wzmacniacz szczytowy włącza się i zapewnia dodatkowe wzmocnienie, aby obsłużyć wyższą moc wyjściową. Dwa ważne wyzwania projektowe to 1) rozdzielenie i rekombinacja sygnału z zachowaniem wyrównania czasowego 2) włączenie wzmacniacza szczytowego w odpowiednich warunkach z zachowaniem liniowości. Wiele technik modulacji opiera się na zachowaniu czystości amplitudy i fazy, dlatego ważne jest, aby łączone działanie wzmacniacza nośnej i wzmacniacza szczytowego, było liniowe. W różnych publikacjach wzmacniacze nośne są określane jako działające w klasie B lub klasie AB, przy czym głównym założeniem jest, że wzmacniacz musi działać liniowo. Wzmacniacz szczytowy jest często opisywany jako pracujący w klasie C, co oznacza, że wzmacniacz jest spolaryzowany tylko przez część czasu. Klasa C jest zazwyczaj kojarzona z pracą nieliniową i może nie być odpowiednia do wzmacniania wszystkich rodzajów modulacji. Wzmacniacz Doherty’ego zawiera jednak wzmacniacz szczytowy jako element dodatkowy, dzięki czemu liniowość jest zachowana na wyjściu. Klasyczny projekt Doherty’ego wykorzystuje linię transmisyjną ćwierćfalową (λ/4) do zapewnienia inwersji impedancji na wyjściu wzmacniacza nośnej. Ta linia ćwierćfalowa wprowadza 90-stopniowe przesunięcie fazowe, dlatego przed wzmacniaczem szczytowym dodawana jest dodatkowa linia ćwierćfalowa w celu wyrównania obu ścieżek. Na wyjściu wzmacniacza Doherty’ego zazwyczaj znajduje się dodatkowa linia ćwierćfalowa, zapewniająca dopasowanie impedancji do 50 Ω. W niektórych projektach zamiast linii transmisyjnych stosuje się elementy obwodów skupionych. Sprawność energetyczna wzmacniacza Doherty’ego ma punkt przegięcia, w którym włączany jest wzmacniacz szczytowy .
Sprawność energetyczna może nieznacznie spaść powyżej punktu przegięcia, ale wzmacniacz nadal utrzymuje sprawność. Jak pokazano na rysunku, wzmacniacz szczytowy zazwyczaj włącza się przy 6 dB poniżej szczytowej mocy wyjściowej. Chociaż klasyczna konstrukcja Doherty’ego wykorzystuje tylko dwie ścieżki wzmacniacza, niektóre konstrukcje wykorzystują dodatkowe wzmacniacze szczytowe w celu poprawy wydajności w zakresie dużej mocy. Spośród dużej liczby przejrzanych patentów dotyczących konstrukcji w/w wzmacniaczy, jednym z ciekawszych jest konstrukcja zoptymalizowana pod kontem szerokości użytecznego pasma przenoszenia sygnałów telefonii komórkowej LTE.
Spośród dużej liczby przejrzanych patentów dotyczących konstrukcji w/w wzmacniaczy, jednym z ciekawszych jest konstrukcja zoptymalizowana pod kontem szerokości użytecznego pasma przenoszenia sygnałów telefonii komórkowej LTE.
EP2686953B1 – ENHANCED DOHERTY AMPLIFIER ,Cree.Inc, Raymond Sydney Pengelly. Data patentu:7.04.2017
W związku z stale rosnącym zapotrzebowaniem na wydajność, wzmacniacz Doherty’ego stał się popularnym wzmacniaczem mocy w zastosowaniach komunikacji mobilnej, zwłaszcza w stacjach bazowych. Choć stosunkowo wydajny w porównaniu z konkurencją, wzmacniacz Doherty’ego charakteryzuje się stosunkowo ograniczoną szerokością pasma. Na przykład, dobrze zaprojektowany wzmacniacz Doherty’ego może zapewnić chwilową szerokość pasma wynoszącą 5%, co odpowiada około 100 MHz dla sygnału 2 GHz i jest zazwyczaj wystarczające do obsługi jednego pasma komunikacyjnego. Na przykład urządzenia Universal Mobile Telecommunications Systems (UMTS) działają w paśmie od 2,11 do 2,17 GHz, a zatem wymagają chwilowej szerokości pasma 60 MHz (2,17 GHz – 2,11 GHz). Wzmacniacz Doherty’ego można skonfigurować tak, aby obsługiwał chwilową szerokość pasma 60 MHz dla pasma UMTS. W związku z tym, dla urządzeń komunikacyjnych, które muszą obsługiwać tylko jedno pasmo komunikacyjne, ograniczona szerokość pasma wzmacniacza mocy Doherty’ego nie stanowi problemu. Pasma działania tych standardów mieszczą się w zakresie od około 800 MHz do 4 GHz w przypadku zastosowań telekomunikacyjnych dla użytkowników indywidualnych oraz od 20 MHz do 6 GHz w przypadku zastosowań wojskowych. Same standardy GSM wykorzystują pasma od około 800 MHz do 2 GHz. Na przykład GSM-850 wykorzystuje pasmo 824-894 MHz, GSM-900 – 890-960 MHz, GSM-1800 – 1710-1880 MHz, a GSM-1900 – 1850-1990 MHz. UMTS wykorzystuje pasmo 2,11-2,17 GHz. LTE wykorzystuje pasmo 2,6-2,7 GHz, a WiMAX – pasma o częstotliwościach około 2,3, 2,5, 3,3 i 3,5 GHz. Dlatego w przypadku urządzeń, które muszą obsługiwać wiele pasm komunikacyjnych, pojedynczy wzmacniacz Doherty’ego nie jest wystarczający.
Fig.1 przedstawia schemat konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego. Fig.2 przedstawia wykres mocy wejściowej w funkcji mocy wyjściowej dla obwodów wzmacniacza nośnej i szczytowej konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego. Fig.3A przedstawia wykres zależności sprawności od mocy wyjściowej typowego wzmacniacza mocy (innego niż Doherty). Fig.3B przedstawia wykres zależności sprawności od mocy wyjściowej konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego. Fig. 4A przedstawia wykres wzmocnienia w funkcji częstotliwości dla szerokopasmowego wzmacniacza mocy (innego niż Doherty). Fig.4B przedstawia wykres wzmocnienia w funkcji częstotliwości dla konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego wykorzystującego wzmacniacze szerokopasmowe. Fig.5 przedstawia schematyczny diagram ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego, zgodnie z jednym z przykładów realizacji wynalazku. Fig. 6A przedstawia wykres zależności wydajności od częstotliwości dla pierwszej konfiguracji ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego z Fig.5. Fig.6B przedstawia wykres szczytowej mocy wyjściowej w funkcji częstotliwości dla pierwszej konfiguracji ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego z Fig.5. Fig. 7A przedstawia wykres zależności wydajności od częstotliwości dla drugiej konfiguracji ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego z Fig.5. Fig.7B przedstawia wykres szczytowej mocy wyjściowej w funkcji częstotliwości dla drugiej konfiguracji ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego z Fig.5. Fig.8 przedstawia schematyczny diagram ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego, zgodnie z innym przykładem wykonania niniejszego wynalazku.
Fig.1 przedstawia schemat tradycyjnego wzmacniacza mocy Doherty’ego 10 gdzie modulowany sygnał wejściowy RF (RF IN) jest podawany do rozdzielacza mocy 12, takiego jak rozdzielacz Wilkinsona, który rozdziela sygnał wejściowy RF (RF IN) na „ścieżkę nośnej” i „ścieżkę szczytową”. Tradycyjnie sygnał wejściowy RF (RF IN) jest dzielony równomiernie, tak aby ścieżka nośnej i ścieżka szczytowa otrzymywały połowę (-3 dB) pierwotnej mocy wejściowej sygnału wejściowego RF (RF IN).
Ścieżka nośna zazwyczaj obejmuje układ wzmacniacza mocy nośnej (PAC ) 14, a następnie pierwszą linię transmisyjną (TL) 16, której rozmiar zapewnia przesunięcie fazowe o 90° na częstotliwości środkowej pasma roboczego lub w jej pobliżu. Ścieżka nośna kończy się w węźle łączącym Doherty’ego 18, który jest dodatkowo sprzężony z transformatorem 24, który z kolei jest ostatecznie sprzężony z anteną (niepokazaną). Ścieżka szczytowa obejmuje drugą linię transmisyjną (TL) 20, której rozmiar pozwala na przesunięcie fazy o 90° przy częstotliwości środkowej pasma roboczego lub w jej pobliżu, a następnie obwód wzmacniacza mocy szczytowej (PA P ) 22. W związku z tym sygnał wejściowy RF RFN dostarczany zarówno wzdłuż ścieżki nośnej, jak i ścieżki szczytowej jest przesunięty w fazie o 90° względem siebie, gdy jest wzmacniany przez odpowiednie obwody wzmacniacza mocy nośnej i szczytowej 14 i 22. Podobnie jak w przypadku ścieżki nośnej, ścieżka szczytowa kończy się w węźle łączącym Doherty’ego 18. Co istotne, rozdzielacz mocy 12 może z natury zapewniać przesunięcie fazy o 90° w odgałęzieniu zasilającym ścieżkę szczytową. W takich przypadkach druga linia transmisyjna 20 nie jest uwzględniana.
W tradycyjnym podejściu Doherty’ego, obwód wzmacniacza mocy nośnej 14 zapewnia wzmacniacz klasy A/B (lub B), a obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 zapewnia wzmacniacz klasy C. Podczas pracy sygnał wejściowy RF RF IN jest dzielony i kierowany wzdłuż ścieżek nośnej i szczytowej do odpowiednich obwodów wzmacniacza mocy nośnej i szczytowej 14 i 22. Co istotne, druga linia transmisyjna 20 opóźnia część sygnału wejściowego RF RF IN na ścieżce szczytowej o 90° przed dotarciem do obwodu wzmacniacza mocy szczytowej 22.
Wzmacniacz Doherty’ego jest zazwyczaj uważany za mający dwa obszary działania. W pierwszym obszarze włączony jest tylko obwód wzmacniacza mocy nośnej 14, który wzmacnia sygnał wejściowy RF RF IN . W drugim obszarze zarówno obwód wzmacniacza mocy nośnej 14, jak i obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 wzmacniają sygnał wejściowy RF RFN w odpowiednich ścieżkach nośnej i szczytowej. Próg między tymi dwoma obszarami odpowiada wartości sygnału wejściowego RF RFN w ścieżce nośnej, w której obwód wzmacniacza mocy nośnej 14 ulega nasyceniu. W pierwszym obszarze poziomy sygnału wejściowego RF RFN są poniżej progu. W drugim obszarze poziomy sygnału wejściowego RF RFIN są równe lub wyższe od progu.
W pierwszym obszarze, w którym poziom sygnału wejściowego RF RFIN jest niższy od zadanego progu, układ wzmacniacza mocy nośnej 14 wzmacnia część sygnału wejściowego RF RFIN w ścieżce nośnej. Gdy sygnał wejściowy RF RF IN jest niższy od zadanego progu, układ wzmacniacza mocy szczytowej 22 jest wyłączany i zużywa niewiele energii. W związku z tym tylko układ wzmacniacza mocy nośnej 14 dostarcza wzmocniony sygnał wejściowy RF RF IN do węzła scalonego Doherty’ego 18 i transformatora 24, aby zapewnić sygnał wyjściowy RF RFOUT. Całkowita sprawność wzmacniacza Doherty’ego jest determinowana głównie przez sprawność wzmacniacza klasy AB (lub B) układu wzmacniacza mocy nośnej 14.
W drugim obszarze, w którym sygnał wejściowy RF RFIN jest równy lub wyższy od zadanego progu, obwód wzmacniacza mocy nośnej 14 jest nasycony i dostarcza swoją maksymalną moc do węzła łącznego Doherty’ego 18 za pośrednictwem pierwszej linii transmisyjnej 16. Ponadto, gdy sygnał wejściowy RF RFIN wzrasta powyżej zadanego progu, obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 włącza się i rozpoczyna wzmacnianie części sygnału wejściowego RF RFIN przepływającej wzdłuż ścieżki szczytowej. W miarę jak sygnał wejściowy RF RFIN nadal wzrasta powyżej zadanego progu, obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 dostarcza więcej mocy do węzła łącznego Doherty’ego 18, aż obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 ulegnie nasyceniu.
W drugim obszarze, zarówno obwody wzmacniacza nośnej, jak i mocy szczytowej 14 i 22 dostarczają wzmocnione sygnały do węzła łączącego Doherty’ego 18. Dzięki zastosowaniu pierwszej i drugiej linii transmisyjnej 16 i 20 w ścieżkach nośnej i szczytowej, wzmocnione sygnały w każdej ścieżce docierają do węzła łączącego Doherty’ego w fazie i są reaktywnie łączone. Połączony sygnał jest następnie podwyższany lub obniżany przez transformator 24 w celu wygenerowania wzmocnionego sygnału wyjściowego RF RF OUT .
Wykres na Fig.2 przedstawia zależność mocy wyjściowej (P O ) od mocy wejściowej (P I ) dla układu wzmacniacza mocy nośnej 14, układu wzmacniacza mocy szczytowej 22 oraz ogólnego wzmacniacza Doherty’ego 10. Jak pokazano na rysunku, układ wzmacniacza mocy nośnej 14 działa liniowo w całym pierwszym obszarze R1, aż do osiągnięcia nasycenia. Gdy układ wzmacniacza mocy nośnej 14 osiągnie nasycenie, wkracza do drugiego obszaru R2. W drugim obszarze R2 włącza się układ wzmacniacza mocy szczytowej 22 i rozpoczyna wzmacnianie sygnału wejściowego RF IN . Całkowita moc wyjściowa wzmacniacza Doherty’ego jest w efekcie sumą mocy wyjściowej wzmacniaczy mocy nośnej i szczytowej 14 i 22 w drugim obszarze R2.
Podczas pracy w drugim obszarze R2, moc dostarczana przez obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 skutecznie zmniejsza pozorną impedancję obciążenia generowaną przez obwód wzmacniacza mocy nośnej 14. Zmniejszenie pozornej impedancji obciążenia pozwala obwodowi wzmacniacza mocy nośnej 14 na dostarczenie większej mocy do obciążenia, przy jednoczesnym zachowaniu nasycenia. W rezultacie utrzymywana jest maksymalna sprawność obwodu wzmacniacza mocy nośnej 14, a ogólna sprawność wzmacniacza Doherty’ego 10 pozostaje wysoka w całym drugim obszarze R2, aż do momentu nasycenia obwodu wzmacniacza mocy szczytowej 22.
Wykresy na Fig.3A i 3B przedstawiają zależność sprawności od mocy wyjściowej odpowiednio dla typowego wzmacniacza mocy i typowego wzmacniacza Doherty’ego. Odnosząc się do Fig.3A, sprawność η typowego wzmacniacza mocy rośnie proporcjonalnie do mocy wyjściowej P, aż wzmacniacz mocy osiągnie nasycenie i maksymalną moc wyjściową PMAX . Jak pokazano na Fig. 3B, układ wzmacniacza mocy nośnej 14 wzmacniacza Doherty’ego 10 działa w podobny sposób. Przechodząc przez pierwszy obszar R1, obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 pozostaje wyłączony, a sygnał wejściowy RF RF IN wzrasta do punktu, w którym układ wzmacniacza mocy nośnej 14 staje się nasycony. W całym pierwszym obszarze R1 sprawność układu wzmacniacza mocy nośnej 14, a tym samym całkowita sprawność η wzmacniacza Doherty’ego 10, rośnie proporcjonalnie do mocy wyjściowej P, aż układ wzmacniacza mocy nośnej 14 stanie się nasycony przy danym poziomie mocy wyjściowej. Dany poziom mocy wyjściowej nazywany jest tutaj progowym poziomem mocy P TH i jest podawany, wyłącznie w celach ilustracyjnych, jako jedna dziewiąta (1/9) maksymalnej mocy wyjściowej P MAX (1/9 P MAX ) wzmacniacza Doherty’ego 10.
Gdy sygnał wejściowy RF RF IN wzrasta powyżej punktu, w którym obwód wzmacniacza mocy nośnej 14 staje się nasycony, wzmacniacz Doherty’ego wchodzi w drugi obszar R2. Gdy sygnał wejściowy RF RF IN zostaje wprowadzony do drugiego obszaru R2, obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 zaczyna wzmacniać sygnał wejściowy RF RFIN . Obwód wzmacniacza mocy nośnej 14 pozostaje nasycony i kontynuuje wzmacnianie sygnału wejściowego RF RF IN . W miarę dalszego wzrostu sygnału wejściowego RF RF IN, obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 dostarcza więcej mocy, aż obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 stanie się nasycony przy maksymalnej mocy wyjściowej Pmax wzmacniacza Doherty’ego 10. W całym drugim obszarze R2 ogólna sprawność η wzmacniacza Doherty’ego 10 pozostaje wysoka i osiąga szczyt na początku drugiego obszaru R2 , gdzie obwód wzmacniacza mocy nośnej 14 najpierw staje się nasycony, oraz na końcu drugiego obszaru R2, gdzie obwód wzmacniacza mocy szczytowej 22 staje się nasycony. Jak wyraźnie pokazano na rysunkach 3A i 3B, dodana wydajność mocy przy obniżonych poziomach mocy od poziomu progowego P TH do maksymalnej mocy wyjściowej P MAX jest znacząco lepsza we wzmacniaczu Doherty’ego 10 w porównaniu ze zwykłym wzmacniaczem mocy.
Wracając do Fig.1, zilustrowany wzmacniacz Doherty’ego 10 ma trzecią linię transmisyjną 26 w torze nośnej i czwartą linię transmisyjną 28 w torze szczytowym. Trzecia i czwarta linia transmisyjna 26 i 28 mogą być używane do zapewnienia przesunięć fazowych na wyjściach torów nośnej i szczytowej, aby zmieniająca się impedancja wyjściowa układu wzmacniacza mocy szczytowej 22 prawidłowo obciążała impedancję wyjściową układu wzmacniacza mocy nośnej 14 i odwrotnie.
Jak pokazano powyżej, konwencjonalny wzmacniacz Doherty’ego 10 jest bardzo wydajny zarówno przy dużym obciążeniu, jak i przy maksymalnym poziomie mocy. Niestety, konwencjonalny wzmacniacz Doherty’ego 10 ma stosunkowo ograniczoną szerokość pasma i zapewnia jedynie dostępną chwilową szerokość pasma wynoszącą 5% częstotliwości roboczej. Na przykład, wzmacniacz Doherty’ego 10 zaprojektowany do transmisji sygnałów o częstotliwości około 2,1 GHz będzie miał maksymalnie dostępną szerokość pasma wynoszącą około 105 MHz.
Co istotne, obwody wzmacniacza nośnej i mocy szczytowej 14 i 22 nie ograniczają szerokości pasma konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10. Nawet gdyby te obwody wzmacniacza nośnej i mocy szczytowej 14 i 22 zostały zaprojektowane jako wzmacniacze szerokopasmowe i indywidualnie obsługiwały szerokości pasma kilku oktaw, całkowita chwilowa szerokość pasma konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10 pozostałaby ograniczona do około 5% częstotliwości roboczej. Na przykład, gdyby każdy z obwodów wzmacniacza nośnej i mocy szczytowej 14 i 22 został zaprojektowany indywidualnie z dostępnymi szerokościami pasma od 2 GHz do 4 GHz, całkowita chwilowa szerokość pasma wzmacniacza Doherty’ego 10 pozostałaby ograniczona do około 5% częstotliwości roboczej (100 MHz przy 2 GHz; 400 MHz przy 6 Hz). Tak więc, niezależnie od tego, jak szeroki jest zakres roboczy obwodów wzmacniacza mocy nośnej i szczytowej 14 i 22, jakie zastosujesz w konwencjonalnym wzmacniaczu Doherty’ego 10, inne komponenty konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10 ograniczają dostępną szerokość pasma.
Fig.4A i 4B ilustrują powyższą koncepcję. Fig.4A przedstawia zależność wzmocnienia od częstotliwości dla szerokopasmowego wzmacniacza mocy, a Fig.4B przedstawia zależność wzmocnienia od częstotliwości dla konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10, gdzie ten sam szerokopasmowy wzmacniacz mocy jest używany zarówno w obwodach wzmacniacza nośnej, jak i mocy szczytowej 14 i 22. Jak pokazano, konwencjonalny wzmacniacz Doherty’ego 10 ma znacznie bardziej ograniczoną szerokość pasma niż samodzielny szerokopasmowy wzmacniacz mocy, nawet gdy wykorzystuje wzmacniacze szerokopasmowe w obwodach wzmacniacza nośnej i mocy szczytowej 14 i 22. Zatem samo zastosowanie szerokopasmowego wzmacniacza mocy w konwencjonalnym wzmacniaczu Doherty’ego 10 niekoniecznie zwiększy szerokość pasma wzmacniacza Doherty’ego 10.
Odkryto, że głównymi komponentami ograniczającymi szerokość pasma konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10 są rozdzielacz mocy 12, pierwsza i druga linia transmisyjna 16, 20, które zapewniają przesunięcia fazowe o 90°, trzecia i czwarta linia transmisyjna 26, 28, które zapewniają przesunięcia fazowe, oraz transformator 24. Niniejsze ujawnienie przedstawia techniki wymiany lub modyfikacji różnych komponentów konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10 w celu znacznego zwiększenia całkowitej szerokości pasma konwencjonalnego wzmacniacza Doherty’ego 10.
Przykład ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30 zilustrowano na Fig.5. W szczególności, modulowany sygnał wejściowy RF RF IN jest podawany do rozdzielacza mocy 32, takiego jak rozdzielacz Wilkinsona, który rozdziela sygnał wejściowy RF RFIN na ścieżkę nośnej i ścieżkę szczytową. W tym przykładzie sygnał wejściowy RF RFIN jest nierównomiernie dzielony, tak że ścieżka nośnej odbiera moc wejściową sygnału wejściowego RF RFIN stłumioną o 1,7 dB, a ścieżka szczytowa odbiera moc wejściową sygnału wejściowego RF RF IN stłumioną o 4,7 dB. Nierównomierny podział w ten sposób dodatkowo zwiększa wydajność ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30 w porównaniu z podziałem równomiernym, w którym przy podziale równomiernym sygnał wejściowy RF RFIN jest dzielony równomiernie (-3 dB) między ścieżkę nośnej i ścieżkę szczytową.
Ścieżka nośna obejmuje sieć wejściową nośnej 34, układ wzmacniacza mocy nośnej (PAC ) 36 oraz sieć wyjściową nośnej 38. Ścieżka nośna kończy się w węźle łączącym Doherty’ego 40, który jest dodatkowo sprzężony z transformatorem 42, który z kolei jest ostatecznie sprzężony z anteną (niepokazaną). Ścieżka szczytowa obejmuje sieć wejściową szczytową 44, układ wzmacniacza mocy szczytowej (PAC) 46 oraz sieć wyjściową szczytową 48. Ścieżka szczytowa kończy się w węźle łączącym Doherty’ego 40.
W tym przykładzie rozdzielone sygnały wejściowe RF RFIN, dostarczane przez rozdzielacz mocy 32, są prezentowane sieciom wejściowym nośnej i szczytowej 34, 44 zasadniczo w fazie. Innymi słowy, rozdzielacz mocy nie nadaje 90° przesunięcia fazowego sygnałowi wejściowemu RF RFIN , który jest dostarczany do ścieżki szczytowej w tym wariancie wykonania. Jednakże sygnały wejściowe RF RFIN , które są dostarczane do odpowiednich wejść obwodów wzmacniacza mocy nośnej i szczytowej 36, 46, muszą zostać przesunięte o około 90°. Zasadniczo sygnał wejściowy RF RF IN , który jest dostarczany do wejścia obwodu wzmacniacza mocy szczytowej 46, jest opóźniony o około 90° względem sygnału wejściowego RF RFIN, który jest dostarczany do wejścia obwodu wzmacniacza mocy nośnej 36.
W zilustrowanym wariancie wykonania obwód wzmacniacza mocy nośnej 36 zapewnia wzmacniacz klasy A/B (lub B), a obwód wzmacniacza mocy szczytowej 46 zapewnia wzmacniacz klasy C. Każdy z tych wzmacniaczy jest zasadniczo zbudowany z jednego lub większej liczby tranzystorów. W wybranych wariantach wykonania wzmacniacze są zbudowane z jednego z następujących tranzystorów: tranzystorów HEMT z azotku galu (GaN), tranzystorów polowych MESFETS z arsenku galu (GaAs) lub węglika krzemu (SiC) oraz tranzystorów LDMOS z dyfuzyjnym półprzewodnikiem metalowo-tlenkowym. Osoby biegłe w tej dziedzinie rozpoznają jednak inne możliwe do zastosowania tranzystory i systemy materiałowe.
Podczas działania ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30, sygnał wejściowy RF RFIN jest dzielony przez rozdzielacz mocy 32 i kierowany wzdłuż ścieżek nośnej i szczytowej do odpowiednich obwodów wzmacniacza mocy nośnej i szczytowej 36 i 46. Sygnał wejściowy RF RFIN jest wyprzedzany o 45° na ścieżce nośnej przez sieć wejściową nośnej 34 przed podaniem do obwodu wzmacniacza mocy nośnej 36. Sygnał wejściowy RF RFIN jest opóźniany o 45° na ścieżce szczytowej przez sieć wejściową szczytową 48 przed podaniem do obwodu wzmacniacza mocy szczytowej 46.
Jak wspomniano powyżej, wzmacniacze Doherty’ego charakteryzują się pracą w dwóch obszarach. W pierwszym obszarze R1 włączony jest tylko obwód wzmacniacza mocy nośnej 36, który wzmacnia sygnał wejściowy RF RF IN . W drugim obszarze R2 zarówno obwód wzmacniacza mocy nośnej 36, jak i obwód wzmacniacza mocy szczytowej 46 wzmacniają sygnał wejściowy RF RF IN w odpowiednich ścieżkach nośnej i szczytowej. Próg między tymi dwoma obszarami odpowiada wartości sygnału wejściowego RF RF IN w ścieżce nośnej, przy której obwód wzmacniacza mocy nośnej 36 ulega nasyceniu. W pierwszym obszarze R1 poziomy sygnału wejściowego RF RF IN są poniżej progu. W drugim obszarze R2 poziomy sygnału wejściowego RF RF IN są równe lub wyższe od progu.
W pierwszym obszarze R1, gdzie poziom sygnału wejściowego RF RFIN jest niższy od zadanego progu, układ wzmacniacza mocy nośnej 36 wzmacnia część sygnału wejściowego RF RF IN w ścieżce nośnej. Wzmocniony sygnał wejściowy RF RFIN jest przesuwany o skompensowane przesunięcie fazowe nośnej φ C-COMP przez układ wyjściowy nośnej 38 i przekazywany do węzła scalonego Doherty’ego 40. Co istotne, w pierwszym obszarze R1 żaden sygnał nie jest dostarczany do węzła scalonego Doherty’ego 40 poprzez ścieżkę szczytową, gdy sygnał wejściowy RF RF IN jest niższy od zadanego progu. W pierwszym obszarze R1 układ wzmacniacza mocy szczytowej 46 jest wyłączony, a ogólna sprawność ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30 jest określana głównie przez sprawność układu wzmacniacza mocy nośnej 36.
W drugim obszarze R2, w którym sygnał wejściowy RF RFIN jest równy lub wyższy od zadanego progu, obwód wzmacniacza mocy nośnej 36 jest nasycony i dostarcza swoją maksymalną moc do węzła łączącego Doherty’ego 40 za pośrednictwem sieci wyjściowej nośnej 38. Ponownie, wzmocniony sygnał wejściowy RF RF IN jest przesuwany o skompensowane przesunięcie fazy nośnej φ C-COMP przez sieć wyjściową nośnej 38 i przekazywany do węzła łączącego Doherty’ego 40.
Ponadto, gdy sygnał wejściowy RF RF IN wzrasta powyżej zadanego progu, włącza się obwód wzmacniacza mocy szczytowej 46 i rozpoczyna wzmacnianie części sygnału wejściowego RF RFIN przepływającej ścieżką szczytową. Gdy sygnał wejściowy RF RF IN nadal wzrasta powyżej zadanego progu, obwód wzmacniacza mocy szczytowej 46 dostarcza więcej mocy do węzła łączącego Doherty’ego 40 poprzez obwód wyjściowy szczytowy 48, aż obwód wzmacniacza mocy szczytowej 46 osiągnie nasycenie. Co istotne, obwód wyjściowy szczytowy 48 skutecznie przesuwa sygnał wejściowy RF RF IN w ścieżce szczytowej o skompensowane przesunięcie fazowe szczytowe φ P-COMP . W związku z tym sygnały wejściowe RF RF IN docierają do węzła łączącego Doherty’ego 40 z odpowiednich ścieżek nośnej i szczytowej, są reaktywnie łączone w węźle łączącym Doherty’ego 40, a następnie są podwyższane lub obniżane przez transformator 42 w celu wygenerowania sygnału wyjściowego RF RF OUT .
W porównaniu z konwencjonalnym wzmacniaczem Doherty’ego 10 (Fig.1), ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 (rysunek 5) skutecznie zastąpił linie transmisyjne 16, 20, 26, 28 sieciami wejściowymi i wyjściowymi 34, 44, 38, 48 zarówno w torze nośnej, jak i szczytowym. Zastosowanie skupionych sieci wejściowych i wyjściowych 34, 44, 38, 48 w torze nośnej i szczytowym pozwala na postrzeganie i syntezę ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30 jako filtru pasmowo-przepustowego. W związku z tym, odpowiednie sieci, a także rozdzielacz mocy 32 i transformator 42 mogą być syntetyzowane jako część ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30, aby uzyskać pożądane parametry pracy w sposób zbliżony do syntezy filtru pasmowo-przepustowego. Najważniejsze parametry pracy ulepszonego wzmacniacza Doherty’ego 30 obejmują szerokość pasma, impedancję końcową, wzmocnienie mocy i moc wyjściową.
To zwiększenie szerokości pasma może być wykorzystane do umożliwienia pojedynczemu ulepszonemu wzmacniaczowi Doherty’ego 30 obsługi wielu pasm komunikacyjnych działających w różnych pasmach częstotliwości, zwiększenia dostępnej szerokości pasma dla danego pasma komunikacyjnego w celu obsługi wyższych prędkości transmisji danych i dodatkowych kanałów lub ich kombinacji. Jak wspomniano powyżej, konwencjonalny wzmacniacz Doherty’ego 10 ma stosunkowo ograniczoną szerokość pasma i zapewnia jedynie dostępną chwilową szerokość pasma wynoszącą 5% częstotliwości roboczej. Na przykład, UMTS ma przydzielone pasmo częstotliwości 2,11 i 2,17 GHz i wymaga minimalnej szerokości pasma 60 MHz. Ponieważ konwencjonalny wzmacniacz Doherty’ego 10 może obsługiwać szerokość pasma 105 MHz, może on obsługiwać pasmo UMTS. Jednakże, jeśli zachodzi potrzeba obsługi pasma UMTS między 2,11 a 2,17 GHz, a także pasma LTE między 2,6 a 2,7 GHz za pomocą tego samego układu wzmacniacza, wymagana jest szerokość pasma wynosząca zasadniczo 600 MHz, a konwencjonalny wzmacniacz Doherty’ego 10 oczywiście nie jest w stanie sprostać takim wymaganiom. Ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 może zostać zaprojektowany tak, aby spełnić te wymagania, jednocześnie osiągając pożądane parametry sprawności, wzmocnienia i mocy wyjściowej
Poniżej przedstawiono dwa z wielu przykładów, w których ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 można skonfigurować do obsługi zarówno pasm UMTS, jak i LTE, które znajdują się w pasmach 2,11–2,17 GHz i 2,6–2,7 GHz. W pierwszym przykładzie ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 został zsyntetyzowany w celu zapewnienia względnie jednolitego wzmocnienia i wydajności mocy biernej w paśmie 600 MHz, między 2,11 a 2,7 GHz, aby pokryć zarówno pasma UMTS, jak i LTE. Jak pokazano na Fig.6A, który przedstawia wykres wydajności w funkcji częstotliwości przy poziomie mocy biernej 6 dB, ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 można zsyntetyzować w celu zapewnienia względnie jednolitej wydajności w całym zakresie częstotliwości 2,11–2,7 GHz przy poziomach mocy biernej. Jednakże, ponieważ ostateczny potencjał szerokości pasma dla konstrukcji wzmacniacza zależy od konkurencyjnych cech wydajności, wzmocnienia i mocy wyjściowej, kompromisy między tymi cechami zawsze wchodzą w grę. W tym przykładzie kompromisy skutkują zauważalnym, ale akceptowalnym, spadkiem szczytowej mocy wyjściowej w paśmie LTE (2,6–2,7 GHz) w porównaniu ze szczytową mocą wyjściową w paśmie UMTS. Spadek ten ilustruje rysunek 6B, który przedstawia zależność szczytowej mocy wyjściowej od częstotliwości.
Na przykład, jeden ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 może być użyty do obsługi zarówno pasm WiMax 2,5, jak i 3,5 GHz. Ponadto, dane pasmo przepustowe może zostać poszerzone, aby obsługiwać względnie sąsiednie pasma komunikacyjne, takie jak PCS 1,8 GHz i UMTS 2,1 GHz. Chociaż w drugim przykładzie zilustrowano tylko dwa pasma komunikacyjne, ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 może być zsyntetyzowany do obsługi trzech lub więcej pasm w podobny sposób, gdzie spadki wydajności mocy, wzmocnienia lub mocy wyjściowej mogą być zapewnione, jeśli i jak jest to pożądane.
Ulepszony wzmacniacz Doherty’ego 30 ma konstrukcję modułową i jako taki może być używany równolegle z jednym lub kilkoma innymi ulepszonymi wzmacniaczami Doherty’ego 30 w zastosowaniach o wyższej mocy. Przykładowa modułowa konfiguracja Doherty’ego 50 jest zilustrowana na Fig.8. Modułowa konfiguracja Doherty’ego 50 zapewnia te same korzyści i możliwości konfiguracji, co opisane powyżej. Modułowa konfiguracja Doherty’ego 50 zawiera dwa ulepszone moduły Doherty’ego 52A, 52B, które odpowiadają ulepszonemu wzmacniaczowi Doherty’ego 30 z Fig. 5.
Suplement
Kiedy William H. Doherty dołączył do działu rozwoju radiowego w Bell Telephone Laboratories w czerwcu 1929 roku, zajmował się rozwojem nadajników radiowych dużej mocy do transoceanicznej radiotelefonii i nadawania. W rezultacie, w 1936 roku, wynalazł sposób na znaczną poprawę sprawności wzmacniaczy mocy RF, nazwany szybko wzmacniaczem Doherty’ego[ (DA). Po raz pierwszy zastosowano go w nadajniku o mocy 50 kW ze sprzężeniem zwrotnym częstotliwości akustycznych, co pozwoliło uzyskać poziom zniekształceń od poniżej 1% przy niższych częstotliwościach do kilku procent przy wysokich częstotliwościach. W tym przypadku wzmacniacz mocy pracował ze sprawnością 60%, co oznaczało redukcję całodobowego zużycia energii o prawie połowę w porównaniu z mocą wymaganą przez konwencjonalny liniowy wzmacniacz mocy pracujący ze sprawnością 33%. W maju 1937 roku Doherty otrzymał Nagrodę Pamięci IRE Morrisa Liebmanna za poprawę wydajności wzmacniaczy mocy RF.
Do 1940 roku wzmacniacze DA były już stosowane w 35 komercyjnych stacjach radiowych na całym świecie, osiągając moc do 50 kW. Doherty opatentowa swoje rozwiązanie W. H. Doherty, Amplifier, U.S. Patent US2210028 , Aug. 1940 co zapewniło mu nieśmiertelna sławę w dziedzinie wzmacniaczy radiowych AM.
Zasadniczo układ DA łączy wyjścia dwóch (lub więcej) liniowych wzmacniaczy mocy RF (PA) za pośrednictwem odwracającej impedancję sieci złożonej z elementów skupionych lub reprezentowanej przez ćwierćfalową linię transmisyjną. Dwie podstawowe formy DA przedstawiono na Fig.1, z obciążeniem połączonym bocznikowo na Fig.1(a) i z obciążeniem połączonym szeregowo na Fig. 1(b) . W pierwszym przypadku impedancja obciążenia wynosi RL = R/2, czyli tyle samo, ile byłoby stosowane w przypadku równoległego połączenia lamp w konwencjonalnym wzmacniaczu mocy, gdzie R jest impedancją obciążenia widzianą przez każdą lampę przy maksymalnej mocy wyjściowej. W drugim przypadku, dopóki prawa strona lub lampa szczytowa nie przewodzi, odwracająca impedancję sieć zapewnia zerową impedancję, będąc zakończoną jako obwód otwarty, a lewa strona lub lampa nośna działa z impedancją obciążenia RL = 2R. Jednakże, gdy lampa szczytowa ma możliwość przewodzenia, każda lampa pracuje w impedancji R w punkcie szczytowym modulacji i dostarcza dwukrotnie większą moc nośną (lub moc przesyłanego niemodulowanego sygnału), tak że całkowita chwilowa moc wyjściowa jest wymagana i wynosi czterokrotność mocy nośnej. Połączenie bocznikowe wydaje się być korzystniejsze w większości praktycznych zastosowań, ponieważ obwód obciążenia jest uziemiony, podczas gdy obciążenie nie jest uziemione ani zbalansowane do masy w układzie szeregowym. Idealne zachowanie napięcia i prądu anodowego w lampach nośnej i szczytowej przy zmiennej amplitudzie wzbudzenia siatki pokazano na Fig.1(c). W tym przypadku, dla klasycznego wzmacniacza mocy z lampami o jednakowej mocy, napięcie przejścia wynosi połowę punktu obwiedni szczytowej (PEP), a całkowita moc wyjściowa wzmacniacza pochodzi z lampy nośnej dla amplitud wejściowych mniejszych lub równych punktowi przejścia. Obszar między punktem przejścia a wartościami PEP reprezentuje obszar modulacji obciążenia, a napięcie na lampie nośnej pozostaje stałe na poziomie PEP. Jednocześnie napięcie na lampie szczytowej nadal rośnie liniowo, a jego prąd zaczyna i rośnie dwukrotnie szybciej niż prąd w lampie nośnej, aby osiągnąć wartość PEP przy maksymalnej mocy wyjściowej. Zatem przy niskich poziomach mocy wyjściowej wzmacniacz nośnej działa liniowo, osiągając nasycenie odpowiadające maksymalnej sprawności przy pewnym napięciu przejściowym poniżej szczytowego napięcia wyjściowego układu. Jednak przy wyższych poziomach mocy wyjściowej wzmacniacz nośnej pozostaje nasycony, podczas gdy wzmacniacz szczytowy działa liniowo.
Odpowiednie kształty obwiedni prądu i napięć anodowych podczas całkowitej zmiany obciążenia przedstawiono na Fig. 2.
A NEW HIGH-EFFICIENCY POWER AMPLIFIER FOR MODULATED WAVES DohertyHISTORIA
by W. H. DOHERTY BELL TELEPHONE SYSTEM TECHNICAL PUBLICATlONS
Doherty Amplifier animation
Zostaw odpowiedź