תכנון של מגבר הספק Doherty א-סימטרי באמצעות מעגל משולב

התכנון של מגברי הספק לתדר רדיו (RF) הפך כיום למורכב ביותר, בעקבות מערכות התקשורת האלחוטיות המודרניות (WCDMA, UMTS, LTE ועוד). הדרישות של המערכות האלו מאלצות לפעול בתצורה של הקטנת הספק המוצא ( – ) (6dB, 8dB ועוד), על מנת להגביל את דחיסת האותות הנגרמת בגלל אותות בעלי יחס גבוה של ערך השיא לערך הממוצע, תוך כדי שמירה על נצילות גבוהה, וכל זאת עבור ריבוי של תקנים שכרוכים בהם יישומים בריבוי פסי שידור. מגבר Doherty מספק יתרונות משמעותיים בתחום הנצילות ברמות אלו של הקטנת הספק המוצא. אפשר לעמוד בדרישות ברמת המערכת של ליניאריות משדר, על ידי שימוש במערכת ספרתית לעיוותים מהופכים. במאמר זה מוצג מגבר Doherty בעל יחס של 1.6:1 המורכב באמצעות מגבר הספק בשתי דרגות במעגל משולב, שמיועד ליישומים של תאים סלולריים קטנים. ראשית, נפרט את מתודולגית התכנון של הגל הנושא ואות השיא. לאחר מכן נתאר את הביצועים העיקריים בתחום ת”ר שנמדדו במעגל Class AB. ולבסוף יוצגו ביצועי מגבר Doherty.

מתודולוגית התכנון

מגבר Doherty מורכב משני מגברי הספק (האחד לגל הנושא – Carrier, והשני לאות השיא – Peaking), שבהם משמש עיקרון “אפנון עומס פעיל”. הרעיון הוא לאפנן את העומס שאותו “רואה” מגבר ההספק, על מנת שיפעל בתנאי הנצילות המרבית שלו עבור טווח של רמות הספק במוצא, אשר מחושב מראש. בתלות ביחס בין הגל הנושא ואות השיא, מגבר Doherty מכונה “סימטרי” או “א-סימטרי”, והוא יכול לפעול בהקטנה של הספק המוצא (OBO) ב-6dB, 8dB או יותר.

המעגל המשולב לת”ר כולל שני נתיבים שונים של מגברי הספק עם יחס של 1.6:1, אשר מאפשר פשרה טובה בין נצילות לבין ליניאריות. המשמעות היא שנתיב אות השיא מספק הספק מוצא של פי 1.6 יותר מאשר נתיב הגל הנושא. תרשים הבלוקים הפונקציונלי מוצג בתרשים 1.

כל אחד מהנתיבים מורכב משתי דרגות מגבר, כאשר רשתות התיאום במבוא ובדרגת הביניים כלולות על השבב. השפעות הצימוד בין הגל הנושא ואות השיא הוקטנו למינימום באמצעות תכונת ‘בידוד על’ (extra-isolation). בשני הנתיבים אין תיאום. במהלך התכנון ניתנה תשומת לב מיוחדת ליכולות בתחום רוחב הפס של האות, על מנת להגביל את אי הליניאריות. היעד של ההגבר-רוחב פס היה 200MHz לפני פס השידור השמיש (1.8-2.2GHz) ולאחריו. הדמיות של Zopt ושל Zpeak הציגו שטיחות הגבר טובה מאוד עם אדוות של 1dB מ-1.5GHz עד 2.5GHz.

מעבר לכך, בוצע ניטור של רוחב הפס VBW במהלך שלב התכנון, על מנת להבטיח שרשת התיאום בדרגת הביניים לא תהווה מגבלה עיקרית עבור פרמטר זה (VBW = 200MHz). רוחב הפס VBW קריטי עבור התקנים הממומשים במערכות DPD. מקובל שרוחב הפס לווידיאו חייב להיות גבוה ביותר מאשר פי שניים מרוחב הפס של האות. יציבות המעגל נבדקה בקפדנות מאחר שלהתקן זה יש הגבר גדול יותר מ-30dB והוא ממומש במארז יחיד. הביצועים שנמדדו א. נתוני שינוי אימפדאנס (load pull) מדידות בשינויי עכבה (בתחום

1750-2200MHz) הדגימו את היכולות בפס הרחב של המעגל המשולב הזה לת”ר. התנהגות “השטיחות” בין 1750MHz לבין 2200MHz הייתה ממש טובה ונקודת P3dB הודגמה ב-36W וב-58W עבור הגל הנושא ועבור אות השיא, בהתאמה (בעומס הספק מרבי). הנצילות של הדרגה הסופית טובה יותר מ-64% בתנאים של עומס נצילות מרבי (ראה תרשים 2). ב. הערכת מעגל Class AB מתוך נתוני ההספק הנמוך (LP), מעגל Class AB תוכנן לפעולה ב-1.8GHz

וב-2.1GHz. המדידות בוצעו על מעגל מודפס RF35 הסטנדרטי (מקדם דיאלקטרי יחסי = 3.5, עובי המצע = 20mils), רשת התיאום החיצונית כוונה לפשרה אופטימלית בין נצילות ההספק הנוסף לבין הליניאריות. תרשים 3 מציג את ההגבר לאות קטן לעומת התדירות עבור Zopt ו-Zpeak כאשר המעגל הותאם באופטימיזציה לפס 2.1GHz.

שני מעגלי היישום (1.8GHz ו-2.1GHz) הציגו שטיחות הגבר טובה בתנאי Zopt ו-Zpeak עם S21 גדול מ-30dB מ-1.7GHz עד  (Idq = 5mA/mm). נקודת P3dB נמצאת סביב 30W ו-48W בהתאמה, עבור תנאי תיאום Zopt ו-Zpeak עם נצילות הספק נוסף  (Power Added Efficiency) של 50% בשתי דרגות.

ג. מעגל הדגמה של מגבר Doherty מתוך תוצאות אלו הותאמו שני מעגלי Doherty באופטימיזציה. האחד הותאם לפס 1805MHz עד 1880MHz והשני הותאם לפס 2110MHz עד 2170MHz. בתרשים 4 מוצגת הגרסה הקומפקטית (50mm70mm) של מגבר Doherty ל-1.8GHz עם מפצל כניסה א-סימטרי של Anaren ועם יחידת שילוב () Doherty סימטרית 1:1 במוצא המשמשת בתכנונים א-סימטריים.

נחקר השימוש ביחסי מפצל שונים בכניסה (3dB, 4dB ו-5dB). עבור מפצל כניסה של 3dB, היו ההגבר והליניאריות טובים יותר, אבל הנצילות הייתה נמוכה יותר. בשימוש במפצל של 5dB הייתה ירידה בהגבר ובליניאריות, אך לעומתם הנצילות הייתה גבוהה יותר.

הדמיות הראו שיש פשרה טובה בין ההגבר והנצילות בשימוש במפצל כניסה של 5dB. בתנאים אלו, הדרגה הראשונה של אות השיא חוברה לממתח בתצורת Class B והדרגה הסופית חוברה לממתח בתצורת Class C. התיאום בין נתיבי הגל הנושא ואות השיא בוצע ב-40Ohms על מנת להשתמש ביחידת שילוב סימטרית במוצא בארכיטקטורת Doherty של 1.6:1.

הביצועים שנמדדו עבור מגברי Doherty עם ממתח של 28V באספקת חיבור drain מוצגים בתרשים 5. אות הכניסה הוא אות נושא WCDMA יחיד עם PAR של 10dB.

הביצועים מוצגים על פני התדירות ברמות שונות של הספק ממוצע (עם הקטנת הספק מוצא של 7dB, 8dB ו-9dB מנקודת P3dB). על פני פס התדירויות 1805MHz עד 1880MHz המגבר מגיע להספק מוצא גבוה יותר מ- (80W) בדחיסה של 3dB, עם נצילות PAE של 43.7% ב-2 דרגות בהקטנת OBO של  (49% של נצילות הדרגה הסופית), הגבר של 27dB ועם יחס ACPR ללא תיקון טוב יותר מ-30dBc. רוחב הפס לווידיאו (VBW) נבדק עם אות גל רציף בשני תדרים (טונים). ההפרדה בין התדרים שונתה מ-1MHz עד 150MHz בהספק מוצא של הערוצים הסמוכים

(ACP) של 30dBc כשהתדר המרכזי נקבע ל-1842.5MHz. תדר התהודה IMD3 גבוה מ-150MHz.

במגבר Doherty זה בוצעה ליניאריזציה באמצעות מערכת DPD ב-1842.5MHz ועם הספק Pavg = 41.2dBm. תרשים 6 מציג את הספק ACP לעומת רוחב הפס של האות עבור אות WCDMA עם שני אותות נושאים ויחס PAR של 6.5dB. יחס ACPR היה טוב יותר מ-58dBc עד לפס 60MHz iSBW. הביצועים החלו מתקלקלים ב-75MHz iSBW, באופן חלקי כתוצאה ממערכת DPD. הספק ACP מתקרב ל-55dBc בשימוש עם אות LTE עם שני אותות נושאים ב-60MHz iSBW, על ידי התאמת תנאי ממתח נתיב אות השיא (PAE = 43% ב-1842.5MHz) (ראה תרשים 7).

על פני רוחב פס התדרים 2110MHz עד 2170MHz המגבר הגיע להספק מוצא גבוה יותר מ- (80W) בדחיסה של 3dB

עם נצילות PAE של 41% ב-2 דרגות בהקטנת OBO של 8dB ( של נצילות הדרגה הסופית), הגבר של 27.5dB ועם יחס ACPR ללא תיקון טוב יותר מ-30dBc.

במגבר Doherty זה בוצעה ליניאריזציה באמצעות מערכת DPD ב-2140MHz ועם הספק Pavg = 41.2dBm. תרשים 8 מציג את הספק ACP לעומת רוחב הפס של האות עבור אות WCDMA עם שני אותות נושאים ויחס PAR של 6.5dB. יחס ACPR היה טוב יותר מ-55dBc עד לפס 75MHz SBW. הספק ACP מתקרב ל-55dBc בשימוש עם אות LTE עם שני אותות נושאים (ראה תרשים 9).

מסקנה

הוצג מעגל משולב א-סימטרי לת”ר המתוכנן בטכנולוגיית ™Airfast המתקדמת ביותר. שני הנתיבים הציגו בת”ר ביצועי שטיחות טובים, ביצועים הנחוצים ביישומי פס רחב. מגבר  (1.6:1) שעבורו משתמשים במעגל המשולב הזה לת”ר עבר אופטימיזציה לפסי השידור 1.8GHz ו-2.1GHz. הנצילות (PAE) בשתי דרגות ובהקטנת OBO של 8dB הייתה גדולה מ-43% ו-41% עבור פסי השידור 1.8GHz ו-2.1GHz בהתאמה, עם הספק ACP מתוקן טוב בכל אותות 2cWCDMA או 2cLTE.