مضخم الصوت دوهرتي - Doherty Amplifier

تستخدم العديد من أنظمة الاتصالات الراديوية الحديثة إرسالات (QAM) عالية المستوى والتي لها نسبة ذروة إلى متوسط ​​قدرة عالية وتتطلب مضخم (RF) خطي، حيث يؤدي هذا عادةً إلى كفاءة منخفضة في مضخمات قدرة التردد اللاسلكي النهائية، ومكبر الصوت (Doherty) قادر على توفير وسيلة للخطية بينما يكون قادراً على توفير تحسين كبير في الكفاءة.

ما هو مضخم الصوت – Doherty Amplifier؟

مضخم الصوت (Doherty): هو تصميم (RF) لتكوين مضخم من الفئة (B) يحقق كفاءة عالية من خلال وجود قسمين للمكبر، قسم مكبر للصوت واحد يلبي حالات إشارة السعة المنخفضة ثم يتم إحضار مضخم ثانٍ للاستخدام لتوفير القدرة على تلبية شروط إشارات المستوى الأعلى دون التعرض للضغط، وبهذه الطريقة يكون مضخم صوت (Doherty) قادراً على توفير كل من الخطية والكفاءة.

يتم استخدام مضخم (Doherty) في العديد من المجالات التي تتطلب مضخمات طاقة (RF) عالية الكفاءة لاستخدامات نسبة الذروة إلى متوسط ​​الطاقة العالية حيث يحتاج تصميم دارة (RF) لمكبر الصوت من (Doherty) إلى ضمان تحسين أداء كل من مضخمات التردد اللاسلكي جنباً إلى جنب مع التحيز والتقسيم والتغذية والمطابقة والجمع لضمان التشغيل الأكثر كفاءة.

تطور مضخم الطاقة دوهرتي:

تم اختراع مفهوم تكوين مضخم طاقة (Doherty) بواسطة (William H. Doherty) من (Bell Telephone Laboratories) في عام 1936م، وعلى الرغم من أنّ المفهوم الأولي لتصميم (RF) للمكبر قد تم تطويره في أيام الصمامات الفراغية أو الصمامات الحرارية، فإنّ مضخم (Doherty) حقق الحاجة التي كانت تحتاجها أجهزة الإرسال التي تعمل بطاقة عالية، بينما لا تزال بحاجة إلى الحفاظ على مستويات كفاءة طاقة معقولة لتقليل التكاليف وتبديد الحرارة وتكاليف التشغيل.

كانت الأنابيب المفرغة أو الصمامات الحرارية تستهلك قدراً كبيراً من الطاقة، وبالتالي فإنّ أي تحسين في الكفاءة من شأنه أن يقلل من استهلاك الطاقة وكذلك الحاجة إلى قدرة الطاقة، وبالتالي تقليل التكلفة والمساحة، كما استخدم أول تصميم لدائرة (RF) لمكبر صوت (Doherty) مضخمين للأنبوب المفرغ كلاهما متحيز في الفئة (B) وقادر على توصيل عشرات الكيلوواط إلى الهوائي.

متطلبات مكبر الصوت دوهرتي:

يجد مضخم (Doherty) قدراً كبيراً من الاستخدام لتصميمات دوائر التردد اللاسلكي داخل أجهزة إرسال المحطة الأساسية لأنظمة الاتصالات الخلوية بالإضافة إلى العديد من أنظمة الاتصالات الراديوية الأخرى التي تتطلب مستويات طاقة أعلى ومستويات جيدة من الكفاءة، ومع وجود العديد من الملايين من المحطات الأساسية حول العالم، فإنّ التوفير في التكاليف الناتج عن تحسينات الكفاءة ضخم.

مضخم الطاقة (Doherty) قادر على توفير تحسينات في كفاءة مكبر الصوت مع تمكينه من البقاء في وضع التشغيل الخطي، ولأنّ الاتصالات المتنقلة أو أنظمة الاتصالات اللاسلكية التي تحتاج إلى تقليل استهلاك الطاقة وتحسين الكفاءة العامة للحفاظ على أوراق اعتمادها البيئية، فإنّ تقليل استهلاك الطاقة يعد مطلباً رئيسياً، مع زيادة معدلات الذروة إلى متوسط ​​الطاقة التي يتم العثور عليها مع تنسيقات التعديل الأحدث المستخدمة لأنظمة مثل اتصالات الهاتف المحمول (3G) و(4G) و(5G) بالإضافة إلى أنظمة الاتصالات الراديوية الأخرى، فإنّ الخطية هي المفتاح لتقليل أخطاء البيانات.

إنّ مكبرات الصوت الخطية العادية ليست فعالة على الإطلاق، وهناك حاجة إلى تقنيات مثل مبدأ دوهرتي لضمان بقاء مضخمات الطاقة للاتصالات اللاسلكية وأنظمة الاتصالات اللاسلكية فعالة، حيث يتم تعريف الكفاءة على أنّها الطاقة الناتجة مقسومة على طاقة الإدخال، ولكن هذا يتأثر بعدد من المشكلات بما في ذلك نسبة الذروة إلى متوسط ​​الطاقة.

عند التشغيل في الوضع الخطي، يجب أن يكون جهاز النواتج دائماً في حالة التوصيل مع ارتفاع جهد الناتج وهبوطه بين الحدين، وعند العمل في هذا الوضع الذي يُسمى الفئة (A)، فإن أقصى كفاءة نظرية يمكن تحقيقها هي (50%) ولكن في الأنظمة الحقيقية تكون المستويات التي يتم تحقيقها أقل من ذلك حيث يُعد فقدان الدائرة أحد الأسباب، ولكن السبب الآخر هو أنّ الإشارة قد لا تصل إلى المستويات القصوى لمضخم التردد اللاسلكي.

إشارات مثل تضمين التردد (FM) التي ليس لها مكونات سعة لا يتم تشويهها من قبل الجهاز، أمّا الانحطاط الوحيد للإشارة هو إنشاء توافقيات إضافية للموجة الحاملة الأساسية، ولكن يمكن ترشيحها باستخدام مرشحات (RF)، أمّا عندما يتم تطبيق إشارة معدلة بمكون السعة على مضخم يعمل بالضغط فينتج عن تشويه السعة عند الحد الأقصى، وعندما يتم تشغيل مكبر للصوت في وضع محدد تماماً يتم تجريد جميع مكونات السعة.

بالنسبة لأنظمة نقل البيانات المستخدمة اليوم مثل (UMTS) و(HSPA) و(4G LTE) و(5G) فإنّ أشكال الموجة (RF) التي يتم استخدامها تتضمن مكون اتساع بالإضافة إلى عناصر الطور وبالتالي فهي تتطلب مضخم تردد لاسلكي خطي، كما يصبح الوضع أسوأ عندما تزداد نسبة الذروة إلى المتوسط ​​لأنّ مكبر الصوت يجب أن يكون قادراً على استيعاب القمم بينما يظل خطياً في تشغيله، ولتحقيق ذلك لا يستطيع مكبر الصوت العمل إلّا بمتوسط ​​طاقة منخفض للغاية وهذا يقلل من الكفاءة.

أساسيات ونظرية مضخم دوهرتي:

مضخم الطاقة (Doherty) قادر على استيعاب الإشارات بنسب طاقة أعلى إلى متوسط ​​طاقة مع الحفاظ على مستوى جيد من كفاءة الطاقة حيث يحقق ذلك عن طريق استخدام دائرتين للمضخم داخل مضخم الترددات الراديوية الشامل لاستيعاب الظروف المختلفة التي تمر بها.

1. مضخم الناقل – Carrier amplifier:

هذا القسم من مضخم (Doherty) الكلي يعمل عادةً في الفئة (A) أو (AB) ويوفر كسباً عند أي مستوى طاقة، كما يهدف بشكل خاص إلى حمل ما يمكن تسميته متوسط ​​مستويات إشارة الاتساع.

2. مضخم الذروة – Peaking amplifier:

يتم تشغيل مضخم التردد اللاسلكي عندما يقترب مكبر الصوت من حدوده، حيث يوفر مضخم الذروة قدرة طاقة إضافية لا يستطيع مضخم الموجة الحاملة أن يوفرها بمفرده، وأحد مفاتيح تشغيل مضخم (Doherty) هو جعل قسم مكبر الصوت الذروة يعمل فقط عندما يكون ذلك مطلوباً، وإذا كانت تعمل طوال الوقت فلن يتم تحقيق وفورات الكفاءة، كما أنّ الهدف هو تشغيل مكبر الصوت الحامل في جميع الأوقات ولكي يدخل مكبر الصوت الذروة في التشغيل قبل أن يبدأ مضخم الموجة الحاملة في الانضغاط.

بالإضافة إلى مكبرات الصوت نفسها، يتطلب تصميم دائرة التردد الراديوي لتكوين مضخم (Doherty) موزعاً للترددات الراديوية ومجمعاً حيث تمكّن هذه العناصر من توجيه الطاقة إلى مكبّري الصوت ومن ثم يتم جمع الناتج منهما لتوفير الناتج المركب، كما يحتاج الفاصل والمجمع أيضاً إلى استيعاب المرحلة ومتطلبات المطابقة للدائرتين.

أنواع مضخم دوهرتي:

1. مضخم دوهرتي المتماثل – Symmetric Doherty amplifier:

هذا هو النهج الأكثر مباشرةً لتصميم دائرة الترددات اللاسلكية لمكبر صوت دوهرتي، حيث يستخدم مضخمين (RF) متطابقين في الدائرة، لكنّه لا يقدم أداء النوع الثاني تماماً.

2. مضخم دوهرتي غير المتماثل – Asymmetric Doherty amplifier:

يُعد (Doherty) غير المتماثل الشكل الأكثر استخداماً لتصميم دائرة الترددات اللاسلكية لهذا النوع من مكبر الصوت حيث يحتوي على مضخمين (RF) مختلفين داخل الكتلة الكلية، وفي هذا النهج يتمتع مكبر الصوت الذروة بقدرة طاقة أعلى، وهذا يعني أنّه يمكن أن يستوعب قمم الإشارة تاركاً مضخم الطاقة المنخفض لتلبية مستويات الإشارة المنخفضة بشكل أكثر فعالية، كما يتيح هذا الأسلوب تحقيق مستويات أداء أفضل بكثير.

3. مضخم دوهرتي الرقمي – Digital Doherty amplifier:

تم تطبيق التقنيات التماثلية التقليدية على مضخمات (Doherty)، لكن مخططات التحيز المختلفة المستخدمة لمضخمات الصوت المختلفة وتعويضات الطور لها عرض نطاق ترددي محدود وفعّال لمكبرات (Doherty) صعبة التصميم حيث تم تطوير مكبرات الصوت (Doherty) باستخدام التقنيات الرقمية، ولم يتم استخدام مكبرات الصوت الرقمية (Doherty) على نطاق واسع حتى الآن، لكنّ نهج (Doherty) الرقمي يتغلب على العديد من مشكلات المنهجية الخطية تماماً ويمكن أن يوفر بعض التحسينات المهمة.

باستخدام نهج مضخم (Doherty) الرقمي فأصبح من الممكن استخدام جدول بحث لمحاذاة المرحلة الديناميكية بين الناقل ومضخمات الذروة والتشويه المسبق الرقمي، حيث يتم استخدام (DPD) بعد ذلك مع مضخم الحلقة المفتوحة لمسار إشارة مكبر الصوت الذروة، وباستخدام (DPD) تصبح استجابة تضمين السعة أو تضمين الطور لمضخم الذروة ثابتة نسبياً، وهذا يعني أنّه يمكن تصحيح أي مشاكل في اختلاف الطور بين مساري خط النقل بسهولة نسبية عن طريق إضافة تحول طور ثابت عند مدخل مسار إشارة تأخر الطور.

مزايا مضخم دوهرتي:

• تمكن من تحقيق مستويات كفاءة أعلى.

• التكنولوجيا ليست معقدة مثل تتبع المغلف الذي يحسن أيضاً من كفاءة مكبر الترددات اللاسلكية.

عيوب مضخم دوهرتي:

• من الصعب الحفاظ على تحولات الطور للمقسمات على نطاق ترددي عريض، وبالتالي لا يمكن استخدام مضخم (Doherty) إلّا عبر نطاق ترددي محدود.

• تكلفة أعلى من مضخم صوت واحد.

• ليس من السهل القيام بالتصميم والحصول على الأداء الأمثل.

مشاكل تصميم مضخم Doherty:

أثناء عملية تصميم دائرة التردد الراديوي، يهدف المطورون إلى توفير الأداء الأمثل في ظل الظروف المتوقعة بأكبر قدر ممكن من الكفاءة، ومع ذلك لا يمكن تحقيق جميع هذه الأهداف في نفس الوقت ويجب إجراء مقايضات كبيرة، ولتحقيق أفضل أداء عام فمن الضروري إيجاد مجموعة معلمات ونقطة تشغيل توفر حل وسط جيد لحساسية التصميم لتغيرات التردد والطور والمستوى، وهذا يتطلب معرفة متعمقة بخصائص كل من المضخمات والمقسِّمات والمجمِّعات.

1. صيانة المرحلة – Phase maintenance:

يجب أنّ تكون مرحلة الإشارات عبر المسارات المختلفة هي نفسها عند نقطة الجمع، حيث يقدم مقسم التردد اللاسلكي (RF) تحولاً في الطور بمقدار (90 درجة) على جهة واحدة، ويمكن إلغاء ذلك في مرحلة الدمج حيث يحدث تغيير بمقدار (90 درجة) في المجمع ويمكن إضافة ذلك في الجهة الأخرى، وستدخل مكبرات الصوت تحولاً في الطور وقد لا يكون متطابقاً بشكل متساوٍ، حيث تم تصميم أحدهما للتعامل مع مستويات الطاقة المنخفضة والآخر للقمم، ممّا يعني أنّ خصائصها ستكون مختلفة في الحالة غير المتماثلة.

2. مطابقة المعاوقة – Impedance matching:

يمكن أن يؤدي ضمان الحفاظ على معاوقة كل من مكبرات الصوت (RF) بشكل كافٍ عبر نطاق التشغيل إلى حدوث مشكلات في بعض التصميمات، كما قد يكون من الصعب تحسين المكونات الإلكترونية المختلفة لتحقيق ذلك.

3. صيانة الخطية – Linearity maintenance:

لقد وجد أنّ أسباب الخلل أو الاضطرابات في خطية مكبر الصوت يمكن أن تحدث عندما يبدأ مكبر الصوت الذروة في العمل، ممّا يضيف تشويهاً لشكل الموجة الذي يتم تضخيمه كما تكون العناية لضمان الاستقامة على كامل نطاق التشغيل مطلوبة.

4. عرض النطاق الترددي – Bandwidth:

عادةً ما تكون تصميمات مضخم (Doherty) محدودة من حيث عرض النطاق الترددي الخاص بها، وبعض المكونات الإلكترونية بما في ذلك المقسمات والمجمعات محدودة في عرض النطاق الترددي الخاص بها، وخارج هذا التحول الطوري يختلف بشكل كبير، ممّا يضعف أداء تصميم مكبر الصوت العام.