Thiết kế bộ khuếch đại Doherty trong ADS: tải biến điệu và hiệu suất ở công suất lùi

Một bộ khuếch đại công suất trạm gốc có thể đạt hiệu suất cao ở công suất bão hoà, nhưng tín hiệu 5G hiếm khi chạm tới mức đó. Phần lớn thời gian bộ khuếch đại làm việc thấp hơn đỉnh vài dB để chừa chỗ cho các đỉnh của tín hiệu OFDM, và ở vùng đó một bộ khuếch đại đơn tầng lãng phí phần lớn năng lượng thành nhiệt. Thiết kế bộ khuếch đại Doherty là lời giải đã gần 90 năm tuổi cho bài toán này. Bài viết trình bày nguyên lý tải biến điệu, cách chọn điểm lùi theo tỉ số công suất đỉnh trên trung bình, quy trình thiết kế trong PathWave ADS và các phép đo kiểm chứng trên phần cứng.

Thiết kế bộ khuếch đại Doherty: vì sao hiệu suất ở công suất lùi mới quan trọng

Theo chương sách “The Doherty Power Amplifier” của Colantonio và cộng sự (InTech, 2010), một bộ khuếch đại lớp B lý tưởng đạt hiệu suất 78,6% ở công suất ra cực đại nhưng chỉ còn 25% khi lùi 10 dB. Hiệu suất trung bình, định nghĩa là tỉ số giữa công suất ra trung bình và công suất DC trung bình, mới là con số quyết định hoá đơn điện và kích thước tản nhiệt. Cùng tài liệu nêu rằng tín hiệu có PAPR cao buộc bộ khuếch đại làm việc ở vùng lùi sâu, làm hiệu suất trung bình giảm mạnh với cấu trúc truyền thống; riêng W-CDMA có PAPR điển hình 5–10 dB.

Với 5G, tổng quan về linh kiện GaN trên Fundamental Research chỉ ra rằng tín hiệu PAPR cao đi kèm yêu cầu tuyến tính nghiêm ngặt về ACPR và EVM, buộc bộ khuếch đại làm việc dưới công suất cực đại, làm giảm công suất ra trung bình và hiệu suất. Vì vậy thước đo đúng của một thiết kế không phải hiệu suất bão hoà, mà là hiệu suất ở công suất lùi tương ứng với PAPR của tín hiệu thật.

Nguyên lý tải biến điệu: bộ khuếch đại chính, bộ khuếch đại đỉnh và bộ nghịch đảo λ/4

William H. Doherty ở Bell Telephone Laboratories công bố kỹ thuật này trong bài “A New High Efficiency Power Amplifier for Modulated Waves” (Proceedings of the IRE, tập 24, số 9, tháng 9/1936, trang 1163–1182), được cấp bằng sáng chế Mỹ 2,210,028 năm 1940. Bản đầu tiên dùng hai đèn điện tử lớp B cho máy phát quảng bá công suất hàng chục kW. Kỹ thuật này đưa hiệu suất khuếch đại từ khoảng 30% lên trên 60%.

Cấu trúc hiện đại gồm hai nhánh. Bộ khuếch đại chính (carrier) thường phân cực lớp AB và luôn dẫn. Bộ khuếch đại đỉnh (peaking) thường phân cực lớp C, chỉ dẫn khi tín hiệu vượt một ngưỡng. Mạch ghép đầu ra hoạt động như một bộ nghịch đảo trở kháng một phần tư bước sóng, thường thực hiện bằng một đoạn đường truyền λ/4, và hai nhánh được kích bằng tín hiệu lệch pha 90°.

Cơ chế tải biến điệu, còn gọi là kéo tải chủ động, diễn ra qua ba vùng. Ở công suất thấp, bộ khuếch đại đỉnh tắt và phải trông như hở mạch; khi đó, theo mô tả trong bằng sáng chế US8188789B2, trở kháng tải của bộ khuếch đại chính bằng hai lần giá trị tải bình thường, nên nó bão hoà sớm và đạt hiệu suất cao ngay ở công suất thấp. Qua điểm ngắt, bộ khuếch đại đỉnh bắt đầu dẫn, góp dòng vào tải chung, và nhờ đoạn λ/4, trở kháng mà bộ khuếch đại chính nhìn thấy giảm dần. Hiệu suất của bộ khuếch đại chính giữ gần như không đổi vì nó luôn bão hoà, trong khi hiệu suất bộ khuếch đại đỉnh tăng dần. Ở công suất đỉnh, cả hai cùng bão hoà.

Hai chi tiết thiết kế hay bị bỏ qua: đường lệch (offset line) sau mạch phối hợp đầu ra của bộ khuếch đại đỉnh để trở kháng ở trạng thái tắt thực sự cao, và việc căn pha đầu vào giữa hai nhánh để công suất cộng đồng pha ở đầu ra.

Đối xứng và bất đối xứng: chọn điểm lùi theo PAPR

Colantonio và cộng sự viết rằng thiết kế bắt đầu bằng việc cố định mức lùi công suất ra (OBO), có tính tới PAPR riêng của ứng dụng. Với Doherty đối xứng, hai bộ khuếch đại cùng cỡ, đỉnh hiệu suất thứ hai lý tưởng nằm ở mức lùi 6 dB. Khi bộ khuếch đại đỉnh mạnh hơn bộ khuếch đại chính (tỉ số α > 1), đỉnh hiệu suất thứ hai dịch ra xa hơn 6 dB; khi yếu hơn (α < 1), nó dịch vào gần hơn. Trở kháng kéo tải tại công suất đỉnh của bộ khuếch đại chính và bộ khuếch đại đỉnh lần lượt là (1+α)R_opt/2 và (1+α)R_opt/(2α); với α = 1, cả hai bằng R_opt.

Một ví dụ số liệu thực: mô-đun Doherty GaN 3,2–3,6 GHz của ZTE công bố trên Micromachines (2025) đạt công suất bão hoà 40,4–41,1 dBm, hiệu suất máng bão hoà 51–56,6% và 45,5–48,6% ở mức lùi 8 dB. Với tín hiệu 5G NR hai sóng mang 200 MHz có PAPR 8,8 dB, mô-đun làm việc ở mức lùi 10,2 dB, cho công suất ra trung bình 30,7 dBm và hiệu suất máng 38,9% tại 3,5 GHz. Con số cuối này mới là thứ khách hàng trạm gốc quan tâm.

Quy trình thiết kế bộ khuếch đại Doherty trong ADS

Quy trình trong PathWave ADS thường đi qua năm bước:

1. Mô hình transistor và phân cực. ADS có sẵn các mô hình Root, NeuroFET và DynaFET cho linh kiện GaN, cùng mô hình EEHEMT do Agilent, nay là Keysight, phát triển. Mẫu load-pull trong ADS đặt điện áp phân cực và tính công suất DC tiêu thụ bằng phương trình trong mạch con.
2. Kéo tải (load-pull) cho từng nhánh. Load Pull DesignGuide của ADS vẽ đường đồng mức công suất ra, PAE và độ lợi, với các biến thể kéo tải công suất không đổi, quét công suất nguồn và thử hai tông. Bài báo trên Sensors (2020) cho ví dụ: mô phỏng load-pull trong ADS để lấy trở kháng tối ưu tại mặt phẳng vỏ, R_opt = 32 Ω cho transistor CGH40010F. Phần nền tảng về kéo tải được trình bày trong bài đo load-pull.
3. Mạch phối hợp, đường lệch và bộ kết hợp. Thiết kế mạng phối hợp đầu ra của hai nhánh sao cho bộ khuếch đại chính thấy 2R_opt ở vùng lùi và R_opt ở đỉnh, còn bộ khuếch đại đỉnh trông như hở mạch khi tắt; sau đó tối ưu trong ADS.
4. Mô phỏng cân bằng điều hoà (harmonic balance). Theo tài liệu ADS, cân bằng điều hoà là phương pháp miền tần số để mô phỏng méo trong mạch phi tuyến, thường là lựa chọn mặc định cho bài toán RF và siêu cao tần. Quét công suất vào để vẽ hiệu suất và PAE theo công suất ra, kiểm tra hai đỉnh hiệu suất, và chạy phân tích ổn định phi tuyến. Giấy phép W3021E Harmonic Balance gồm cả phân tích kéo tải và kéo nguồn, tạo mô hình X-parameter và phân tích ổn định phi tuyến.
5. Mô phỏng với tín hiệu điều chế, trình bày ở phần tiếp theo.

Mô phỏng với tín hiệu điều chế và tuyến tính hoá DPD

Kết quả sóng liên tục chưa đủ, vì Doherty thường kém tuyến tính hơn một bộ khuếch đại lớp AB đơn. Bộ mô phỏng Circuit Envelope (giấy phép W3022E) được Keysight mô tả là bộ mô phỏng phi tuyến cho mạch dưới kích thích RF điều chế số, phân tích EVM, ACPR và NPR, và tích hợp với bộ mô phỏng cân bằng điều hoà. Tài liệu ADS về Circuit Envelope liệt kê các đầu ra ACPR, PAE, giản đồ chòm sao, EVM và BER.

Bước cuối là tiền méo số (DPD). W4540E DPD Explorer in ADS là công cụ kiểm chứng bộ khuếch đại có DPD ở mức mạch, có mô hình khuếch đại độ lợi động để bắt hiệu ứng nhớ băng rộng trong bộ khuếch đại Doherty, kết nối luồng làm việc giữa mô phỏng và PNA-X để trích mô hình, và có mô hình thử dựng sẵn cho 5G và Wi-Fi. Keysight mô tả việc đưa tín hiệu thử vào các thuật toán DPD như đa thức nhớ, đa thức Volterra và bảng tra, rồi đánh giá bằng ACLR hoặc EVM. Công cụ cũ W1716EP SystemVue DPD Builder đã ngừng, được thay bằng W4510E DPD Design Kit. Hiệu quả của DPD có thể lớn: ở mô-đun ZTE nói trên, ACLR cải thiện từ −32,1/−33 dBc lên −49,2/−48,3 dBc.

Kiểm chứng trên phần cứng: PAE, nén độ lợi, ACLR và EVM

Mô phỏng chỉ đáng tin khi được đối chiếu với phép đo. Các đại lượng cần đo gồm hiệu suất máng (công suất ra chia công suất DC), PAE, đường cong nén độ lợi, méo biên độ-biên độ (AM-AM) và biên độ-pha (AM-PM), cùng ACLR và EVM dưới tín hiệu 5G NR thật. Ghi chú ứng dụng 5989-7293 của Keysight coi PAE là thông số hiệu năng quan trọng của bộ khuếch đại công suất và mô tả cách đo trên PNA-X.

Trên PNA-X, ứng dụng S93086B đo điểm nén độ lợi; S94510B là phân tích mạng vector phi tuyến, đo dạng sóng tới, phản xạ và truyền qua đã hiệu chỉnh; S94514B đo X-parameter, mô hình hộp đen dựa trên phép đo đưa ngược vào ADS. Ứng dụng méo điều chế S930705B đo EVM, NPR và ACPR dưới kích thích điều chế tới 50 GHz, cần một máy phát tín hiệu nối vào PNA-X. X-parameter do Keysight phát triển và giới thiệu năm 2008 trên máy phân tích mạng vector phi tuyến N5242A và ADS; khái niệm được trình bày thêm trong bài tham số X.

Chọn công cụ Keysight cho thiết kế bộ khuếch đại Doherty

• Thiết kế và mô phỏng: gói phần mềm PathWave ADS do Techmaster phân phối. Phạm vi mô-đun mô phỏng (cân bằng điều hoà, Circuit Envelope, DPD) cần được xác nhận theo báo giá; bảng cấu hình ADS hiện hành của Keysight tổ chức theo gói lõi W3600B cộng các phần tử mô phỏng riêng, theo hình thức thuê bao 6, 12, 24 hoặc 36 tháng.
• Đo tham số S, nén độ lợi, PAE và X-parameter: máy phân tích mạng Keysight N5245B PNA-X, 10 MHz–50 GHz, 2 hoặc 4 cổng, tới ba nguồn tín hiệu tích hợp. Với dải thấp hơn có N5242B tới 26,5 GHz; cao hơn có N5247B tới 67 GHz.
• Phát tín hiệu 5G NR: máy phát tín hiệu vector Keysight N5182B MXG, 9 kHz–6 GHz, băng thông điều chế tới 160 MHz.
• Phân tích ACLR và EVM: máy phân tích tín hiệu Keysight N9030B PXA, 2 Hz–50 GHz, băng thông phân tích tới 510 MHz, với ứng dụng 5G NR N9085EM0E đo EVM, ACP và mặt nạ phát xạ theo 3GPP.

Kết luận

Thiết kế bộ khuếch đại Doherty là bài toán tối ưu hiệu suất ở công suất lùi chứ không phải ở bão hoà. Điểm lùi được chọn theo PAPR của tín hiệu: 6 dB với cấu trúc đối xứng, xa hơn với bộ khuếch đại đỉnh mạnh hơn. Trong ADS, chuỗi làm việc đi từ kéo tải từng nhánh, phối hợp và đường lệch, cân bằng điều hoà, tới Circuit Envelope và DPD; trên phần cứng, PNA-X, máy phát vector và máy phân tích tín hiệu khép vòng kiểm chứng.

Mô phỏng và phép đo chỉ gặp nhau khi thiết bị đo được hiệu chuẩn: sai số công suất vài phần mười dB đã làm lệch PAE và điểm nén. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy phân tích mạng, máy phát và máy phân tích tín hiệu theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình thiết kế, đo kiểm và lịch hiệu chuẩn.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.