АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ, РАБОТАЮЩЕГО В ТОКОВОМ РЕЖИМЕ В СИСТЕМАХ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 5G

В данной статье рассматриваются принцип работы, энергетическая эффективность и частотно-зависимые характеристики усилителя мощности класса D в токовом режиме (CMCD), предназначенного для применения в диапазоне 5G FR1 (ниже 6 ГГц), в частности в полосе 3,4-3,8 ГГц. Усилитель основан на классической push-pull CMCD-архитектуре, работающей в коммутационном режиме, и демонстрирует возможность достижения высокой теоретической эффективности за счёт уменьшения коммутационных потерь благодаря минимизации временного перекрытия токовых и напряженческих форм сигналов.
В ходе анализа исследованы пиковое значение напряжения стока, формы токовых и напряженческих сигналов, условия нагрузки и частотно-зависимые параметры. Результаты моделирования показали, что усилитель стабильно работает в диапазоне 3,4-3,8 ГГц, при этом с ростом частоты наблюдается тенденция к снижению коэффициента усиления и эффективности. Данное явление объясняется увеличением коммутационных потерь транзисторов и влиянием паразитных параметров пассивных элементов. Полученные результаты подтверждают, что усилитель мощности CMCD применим в мобильных системах связи 5G FR1, особенно в области 3,5 ГГц, а в дальнейшем практическую точность можно повысить за счёт использования реалистичных RF-моделей транзисторов (LDMOS/GaN/CMOS) и учёта паразитных параметров.

1. Bandwidth Enhancement of Догерти Power Amplifier Using Modified Load Modulation Network / М. Li et al // IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap. – 2020, № 67. – Р. 1824-1834. https://doi.org/10.1109/TCSI.2020.2972163.

2. Boumaiza S. Multispectrum Signal Transmitters: Advances in Broadband High-Efficiency Power Amplifiers for Carrier Aggregated Signals / S. Boumaiza, H. Golestaneh, M.N.A. Abadi // IEEE Microw. Mag. – 2014, № 15. – Р. S14-S24. https://doi.org/10.1109/MMM.2014.2356150.

3. Akbarpour M. A Transformer-Less Load-Modulated (TLLM) Architecture for Efficient Wideband Power Amplifiers / M. Akbarpour, M. Helaoui, F.A Ghannouchi, // IEEE Trans. Microw. Theory Tech – 2012. – № 60. – Р. 2863-2874. https://doi.org/10.1109/TMTT.2012.2206050.

4. Barton, New mixed mode design methodology for high-efficiency out-phasing chireix amplifiers / H.C. Chang et al // IEEE Trans. Circuits Syst. I Reg. Pap. – 2019. – № 66. – Р. 1594-1607. https://doi.org/10.1109/tcsi.2018.2882770.

5. Design of a Broadband High-Efficiency Hybrid Class-EFJ Power Amplifier / Z. Zhang et al // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. – 2020. – vol. 30, № 4. – Р. 407-409. https://doi.org/10.1109/LMWC.2020.2973487.

6. Design of a Post-Matching Asymmetric Догерти Power Amplifier for Broadband Applications / J. Pang et al // IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett. – 2015. – № 26. – Р. 52-54. https://doi.org/10.3390/en17092006.

7. Optimum operation of asymmetrical-cells-based linear Doherty power Amplifiers-uneven power drive and power matching / J. Kim et al // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. – 2005. – № 53. – Р. 1802-1809. https://doi.org/10.1109/TMTT.2005.847073.

8. Fang X.H. Extension of High-Efficiency Range of Doherty Amplifier by Using Complex Combining Load / X.H. Fang, K.-K.M. Cheng // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. – 2014. – № 62. – Р. 2038-20. https://doi.org/10.1109/TMTT.2014.2333713.

9. Özen, M. Symmetrical Doherty Power Amplifier with Extended Efficiency Range / M. Özen, K. Andersson, C. Fager // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. – 2016. – № 64. – Р. 1273-1284. https://doi.org/10.1109/TMTT.2016.2529601.

10. Fang X.-H. Extended Efficiency Range, Equal-Cell Doherty Amplifier Design Using Explicit Circuit Model / X.-H. Fang, H.-Y. Liu, K.-K.M. Cheng // IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett. – 2017. – № 27. – Р. 1-3. https://doi.org/10.1109/LMWC.2017.2690870.

11. Shi W. Extending high-efficiency power range of symmetrical Doherty power amplifiers by taking advantage of peaking stage / W. Shi, S. He, N. Gideon // IET Microw. Antennas Propag. – 2017. – № 11. – Р. 1296-1302. https://doi.org/10.1049/iet-map.2017.0119.

12. Hasin M.R. Exploiting Phase for Extended Efficiency Range in Symmetrical Doherty Power Amplifiers / M.R. Hasin, J. Kitchen // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. – 2019. – № 67. – Р. 3455-3463. https://doi.org/10.1109/TMTT.2019.2921366.

13. Two-Way Doherty Power Amplifier Efficiency Enhancement by Incorporating Transistors’ Nonlinear Phase Distortion / X.-H. Fang et al // IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett. – 2018. – № 28. – Р. 168-170. https://doi.org/10.1039/D1EE01508G.