Усилители Догерти для современных систем связи
В статье рассматривается строение и принцип работы усилителей Догерти, их преимущества и недостатки. Приводится пример проектирования усилителя Догерти, работающего в полосе 1,8–2,7 ГГц.
В оборудовании для сотовой, беспроводной и радиосвязи, в т. ч. lTE и 5G, требуются усилители мощности, работающие в линейном режиме в широком диапазоне частот.
Заметим, что при работе с малыми сигналами эффек тивность усилителя снижается. Для компенсации этого эффекта применяются разные методики, в т. ч. модуляция нагрузки и инверсия импеданса. В то же время усилители Догерти часто имеют ограниченную полосу пропускания из-за частотной зависимости схем согласования и инверсии, а также из-за фазовой задержки на линиях между внутренними усилительными блоками.
Усилители мощности Догерти работают с сигналами с более высоким отношением пиковой мощности к средней, имея при этом достаточно высокий КПД. В усилителе имеются два усилительных каскада, каждый из которых имеет свое назначение.
– Усилитель несущей. Он работает в классе А или АВ и обеспечивает усиление при любом уровне мощности. Усилитель рассчитан на сигналы средней амплитуды.
– Пиковый усилитель. Он активируется, когда усилитель несущей близок к ограничению. Имеет большую допустимую мощность.
Важной особенностью работы усилителей Догерти является активация пикового усилителя только в тех случаях, когда это требуется. Если он работает все время, КПД снижается.
Для усилителя Догерти требуется разветвитель и объединяющее устройство (см. рис. 1). С помощью этих устройств мощность сигнала распределяется между усилителями, а их выходные сигналы суммируются. Следует помнить, что разветвитель и объединяющее устройство должны соответствовать требованиям по фазе и согласованию двух цепей.
Рисунок 1
Рисунок 2
Функциональная схема усилителя Догерти
Принцип разделения входного сигнала между усилителями
Рисунок 3
Рисунок 4
Согласование импеданса в усилителе Догерти
a) эквивалентная схема усилителя на нитриде галлия; б) зависимость S11 от частоты
Типы усилителей Догерти
Существует несколько типов усилителей Догерти.
– Симметричный. Это наиболее простая схема, построенная на двух одинаковых усилителях. Недостатком является невысокий КПД.
– Асимметричный. Это наиболее распространенный тип усилителя. Пиковый усилитель имеет большую допустимую мощность и предназначен для усиления пиков входного сигнала, тогда как второй усилитель работает с малыми сигналами. Такой подход обеспечивает оптимальные характеристики.
– Цифровой. Используется в случаях, когда аналоговые схемы сложны в разработке или имеют недостаточную полосу пропускания из-за специфичных схем сдвига фазы.
В цифровых усилителях Догерти применяется таблица соответствия между усилителем несущей и пиковым усилителем для обеспечения динамического выравнивания фазы. В пиковом усилителе используется цифровое предыскажение, контур ОС разомкнут. Благодаря внесению предыскажений обеспечиваются относительно постоянные характеристики. Таким образом, любое рассогласование фаз между линиями передачи корректируется путем добавления постоянного смещения фаз на входной линии с отстающим сигналом.
цифровые усилители Догерти пока не получили широкого распространения, однако этот подход позволяет значительно упростить проектирование и потому является перспективным.
Преимущества и недостатки
Среди достоинств усилителей Догерти следует отметить более высокий КПД и простоту (по сравнению с отслеживанием огибающей), что, в конечном счете, обеспечивает более высокий КПД усилителя радиочастотного сигнала.
В то же время усилители Догерти могут применяться только в ограниченной полосе, поскольку в широком диапазоне сложно обеспечить требуемое смещение фазы между разветвителями. Вторым недостатком является высокая стоимость по сравнению с одиночными усилителями. Втретьих, они достаточно сложны в разработке, особенно на стадии оптимизации.
Несмотря на перечисленные недостатки, усилители Догерти все больше применяются в базовых станциях мобильной связи и других системах беспроводной и радиосвязи, поскольку они обеспечивают более высокий КПД и линейную работу в широком диапазоне частот.
Рисунок 5
Рисунок 6
Рис. 6. Широкополосный инвертированный усилитель Догерти
Рисунок 7
a) усилитель несущей в режиме AB при согласовании в широкой полосе; б) результаты измерения
результаты моделирования инвертированного усилителя Догерти в трех полосах частот
Прицип работы
В состав усилителя Догерти входят два внутренних усилителя, схемы разветвления, согласования и смещения фазы. Эти блоки должны быть оптимизированы.
Основной усилитель, усилитель несущей, работает в режиме АВ. Второй (внутренний) усилитель называется второстепенным, или пиковым, и работает в режиме С.
Сигнал, поступающий на вход усилителя Догерти, проходит через квадратурный разветвитель, который формирует два сигнала, смещенных на 90° относительно друг друга. Это делается потому, что используемые индуктивные разветвители вносят меньшие потери мощности. Один сигнал с разветвителя поступает на основной усилитель, рассчитанный на работу со слабыми сигналами.
Второй сигнал подается в пиковый усилитель, который активируется только для обработки больших пиков, превышающих допустимые значения для основного усилителя (см. рис. 2). Поскольку второстепенный усилитель имеет низкую эффективность, его применяют только при необходимости. После усиления сигналы объединяются; для этого фаза одного из них смещается обратно, чтобы они были синфазными.
Входной каскад работает как балансный усилитель. Отражающие коэффициенты рассогласованных усилителей уменьшаются, если у них одинаковая амплитуда и фаза. Отраженные волны рассеиваются в нагрузке, подключенной к изолированному порту объединителя. Два выходных сигнала рассогласованы на 90°. Их выравнивание достигается с помощью четвертьволновой линии на выходе пикового усилителя.
Импедансы следует точно согласовать, чтобы обеспечить высокий КПД. Импеданс обоих усилителей равен Z0/2. Он повышается с помощью четвертьволнового трансформатора до Z0 (см. рис. 3). Несмотря на видимую простоту, усилители работают в нелинейном режиме, поскольку пиковый усилитель функционирует только при необходимости. Во время работы выходной сигнал первого усилителя активно нагружает второй усилитель, поскольку они не изолированы. Таким образом, при проектировании схемы следует проводить нелинейный анализ.
Рисунок 8
результаты измерения коэффициента эффективности стока и коэффициента усиления в пяти диапазонах
Проектирование
Корректно разработанная схема обеспечивает оптимальные характеристики при заданных условиях, однако это не всегда удается. Для достижения наилучших характеристик требуется подобрать параметры и рабочую точку так, чтобы чувствительность к частоте, фазе и амплитуде была оптимальной. Для этого требуется хорошо понимать принципы работы усилителей, разветвителей и объединителей.
Зачастую проектирование осуществляется на основе исходных проектов, предлагаемых производителями. При этом сложно обеспечить полную оптимизацию, поскольку исходные модели, как правило, меняют незначительно.
Рассмотрим основные аспекты, которые следует учесть для качественной работы усилителя Догерти.
– Поддержание фазы . В теории фаза сигналов, проходящих по разным контурам, должна быть одной и той же в точке объединения. Разветвитель вносит смещение фазы 90° на одной из линий. Оно может быть удалено при объединении сигналов за счет добавления такого же смещения во вторую линию. При этом каждый усилитель вносит собственное фазовое смещение. Соответственно, фазовый сдвиг на выходе изменяется, и схема работает несимметрично.
– Согласование импедансов. Необходимо обеспечить согласование импедансов внутренних усилителей во всем рабочем диапазоне.
– Линейность. При активации пикового усилителя могут наблюдаться нелинейности в выходном сигнале усилителя несущей. Из-за них появляются искажения в усиливаемом сигнале. Следует обеспечивать линейную работу во всем диапазоне.
Несмотря на сложности разработки, усилители Догерти широко применяются в силовых выходных каскадах в станциях сотовой связи и других системах беспроводной и радиосвязи.
– Полоса пропускания. Как правило, у усилителей Догерти – ограниченная полоса пропускания. Разветвители и объединители также имеют ограниченную полосу, вне которой фазовый сдвиг существенно меняется, что приводит к ухудшению характеристик усилителя Догерти.
После оптимизации у усилителей Догерти – значительно лучшие характеристики.
Согласование импедансов
Итак, выходной каскад состоит из двух четвертьволновых инверторов импеданса с уменьшенным коэффициентом преобразования импедансов. Такая схема обеспечивает лучшие характеристики в широкой полосе частот по сравнению с классическим усилителем Догерти. Нагрузка, как правило, состоит из сосредоточенных компонентов или линии передачи с двумя-тремя согласующими секциями. Таким образом, согласующая схема частично выполнена внутри усилителя для устройств со средней выходной мощностью 40 Вт и выше, учитывая, что их импеданс низок.
При более высоком импедансе вывода микросхемы появляется возможность обеспечить достаточное согласование в требуемом частотном диапазоне. На рисунке 4 приведена эквивалентная схема с согласующими элементами на входе и частотный отклик схемы.
Рассмотрим транзисторный блок sumitomo Electric Device innovations, состоящий из шести транзисторов на нитриде галлия с высокой подвижностью электронов (15 Вт). Они соединены параллельно и обеспечивают общий выходной сигнал более 80 Вт в полосе 1,8–2,7 ГГц.
К устройству подключен внешний трехсекционный микрополосковый трансформатор, разработанный в САПР Microwave office на платформе aWR Design Environment (в настоящее время входит в состав cadence Design systems). Трансформатор выполнен на алюминиевой подложке с диэлектрической проницаемостью 250 и толщиной 0,16 мм. Таким образом, компактная структура преобразует входной импеданс устройства в 10 Ом, s11 не превышает –25 дБ.
На рисунке 5 показана упрощенная схема усилителя несущей и его частотная характеристика. Несимметричный усилитель мощности на 80 Вт работает в режиме АВ. В нем имеются внешние входная и выходная согласующие схемы, работающие в диапазоне 1,8–2,7 ГГц.
Классический усилитель Догерти имеет ограниченную полосу пропускания при слабом сигнале, поскольку он должен обеспечить четвертьволновое преобразование импеданса из 25 в 100 Ом, когда пиковый усилитель выключен.
Пример
На рисунке 6 показан усилитель Догерти с инвертированной архитектурой. Она применяется в случаях, когда проще обеспечить короткое замыкание, чем разрыв цепи, на выходе пикового усилителя.
В этом случае очень малый выходной импеданс преобразуется в высокий (видимый со стороны нагрузки). Для увеличения выходной мощности пикового усилителя при высокой мощности входного сигнала следует обеспечить оптимальное согласование и смещение на выходе с учетом паразитных эффектов. В области малой мощности необходимо короткое замыкание.
В Microwave office был смоделирован коэффициент усиления большого сигнала и коэффициент эффективности стока на трех полосах: VGc = –2,5 В, VGP = –5,5 В и VDD = 50 В.
На центральных частотах трех диапазонов (1,85; 2,15 и 2,65 ГГц) получены следующие значения:
- выходная мощность: более 53 дБм;
- линейный коэффициент мощности в диапазоне 1,8–2,7 ГГц: более 10 дБ;
- коэффициент эффективности стока в насыщении: более 50%;
- коэффициент потерь мощности: 7 дБ;
- коэффициент эффективности стока на меньших частотах (макс.): 70%.
Графически результаты моделирования показаны на рисунке 7. На рисунке 8 показаны результаты измерений:
- коэффициент усиления мощности в диапазоне 1,8–2,7 ГГц: более 9 дБ;
- коэффициент эффективности стока: более 55% в насыщении и около 50% при коэффициенте потерь 7 дБ;
- коэффициент эффективности стока ниже 1,95 ГГц (макс.): более 70%.
Выводы
Благодаря схемам согласования в широкой полосе можно получить усилитель Догерти, работающий в нескольких частотных диапазонах. Для повышения эффективности работы необходимо обеспечить согласование во всем диапазоне.