Prueba 5G: los amplificadores Doherty miden

Los amplificadores Doherty, especialmente aquellos con dos entradas controladas independientemente, prometen una eficiencia energética significativamente mejor en transmisores de estación base 5G y aplicaciones similares. Los amplificadores de potencia en las estaciones base constituyen el 30-60% del costo y el 20-60% del consumo de energía de la infraestructura del transmisor, por lo que el diseño óptimo es un foco para los semiconductores de potencia de RF y los proveedores de infraestructura.

Las formas más efectivas de reducir la disipación de potencia del amplificador se conocen desde hace mucho tiempo, pero el funcionamiento eficiente de la energía conlleva el costo de no linealidades que deben ser compensadas por medidas ascendentes o descendentes. Estas son medidas no triviales, como la predistorsión digital, que solo son posibles con la tecnología avanzada de circuitos.

Operación Doherty

Para la infraestructura, se establecen diseños convencionales de amplificadores de potencia Doherty, mientras que el seguimiento de envolvente domina en el lado del dispositivo.

En el seguimiento de envolvente, la tensión de alimentación de los transistores de potencia se adapta dinámicamente a la envolvente de señal. El método Doherty divide la señal de entrada en dos rutas de amplificador paralelo. El amplificador principal maneja la carga base y se opera permanentemente a una modulación completa que ahorra energía. Si la señal de entrada se eleva por encima de cierto nivel, el segundo amplificador se enciende y maneja solo los picos de carga.

Este intercambio de tareas es particularmente prometedor para las señales digitales, caracterizado por un alto factor de cresta. Llevará años migrarlo a frecuencias de ondas milimétricas altas y aplicaciones de banda ancha como 5G y comunicaciones por satélite (satcom).

La operación Doherty perfecta es un concepto teórico que no se puede lograr en la práctica. Sin embargo, incluso con aproximaciones aproximadas, el rendimiento suele ser mejor que el amplificador de clase AB de línea de base a bajas frecuencias de funcionamiento y pequeños anchos de banda.

La técnica se vuelve menos tolerante a las aproximaciones aproximadas y, por lo tanto, menos eficiente a medida que aumenta la frecuencia de operación, el ancho de banda y la potencia de salida. Se requieren procesos de diseño nuevos y repetibles para aprovechar todo su potencial.

Una nueva opción de software para el generador de señal vectorial SMW200A de Rohde & Schwarz (Figura 1) ayuda a los diseñadores a aprovechar todo el potencial de sus diseños de amplificadores. Está diseñado para usar con el analizador de señal y espectro FSW.

Enfoque de diseño dividido

Los diseñadores de Doherty tienen que diseñar dos mitades, el lado de entrada y el lado de salida.

La señal a amplificar debe dividirse para controlar las dos rutas del amplificador. Hay diferentes enfoques para lograr esto. Las implementaciones clásicas realizan la división en el dominio analógico y las soluciones de doble entrada lo realizan en el dominio digital (Figura 1).

Los estudios publicados en la bibliografía de revisión por pares sugieren que las implementaciones divididas de doble entrada podrían obtener hasta un 60% más de potencia de salida de RF y un 20% más de eficiencia energética en un ancho de banda un 50% más amplio que una implementación Doherty clásica. Los desafíos siguen siendo los mismos, ya sea que se esté desarrollando el amplificador para transmisores 5G y satcom o para otras aplicaciones que requieran alto rendimiento y reproducibilidad.

Los diseñadores desean garantizar el máximo rendimiento del diseño en las condiciones operativas esperadas de la manera más eficiente posible. Desafortunadamente, estos son objetivos mutuamente contradictorios, y uno solo puede lograrse a expensas del otro. Es necesario encontrar un punto de operación y un conjunto de parámetros que minimicen estos costos, por lo que se debe conocer la sensibilidad del diseño a las variaciones de frecuencia, fase y nivel en las rutas de los amplificadores. Los procesos de desarrollo actuales dependen en gran medida de los diseños de referencia y el ajuste manual de prototipos, lo que dificulta la exploración más allá de algunos óptimos locales.

Debido a la falta de información sobre las sensibilidades del diseño elegido, el diseñador suele especificar métricas conservadoras para adaptarse a las variaciones de una parte a otra en un entorno de producción. El resultado suele ser subóptimo porque el verdadero potencial del diseño no está totalmente explorado y especificado.

Desarrollo de amplificador Doherty

Figura 2: la línea roja discontinua muestra un posible punto de operación subóptimo, sugiriendo parámetros de operación (la línea de puntos azul) (visualización utilizando MatLab)

Solo mediante la estimulación de las dos entradas del amplificador con un rango de señales diferentes es posible identificar y comprender las compensaciones y sensibilidades del rendimiento (Figura 2). Los diseños de amplificadores Doherty de doble entrada, en particular, se benefician de este enfoque, así como los diseños clásicos como el divisor de entrada de RF fijo, el divisor de entrada de RF programable y el divisor de entrada dispersivo.

Un requisito clave para este proceso de desarrollo basado en mediciones es una fuente de señal vectorial que puede producir dos señales alineadas con precisión, como el SMW200A de doble vía, que puede generar señales cuya fase relativa, temporización, amplitud y potencia de entrada absoluta pueden ser precisas y reproducible ajustado.

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