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Effiziente Leistungsverstärkerarchitekturen für Mobilfunkbasisstationen
(2009) Dettmann, Ingo; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
Heutige Kommunikationsstandards erfordern Modulationsverfahren, welche die Information sowohl in der Phase als auch in der Amplitude des Trägers modulieren. Die daraus resultierenden Signale weisen hohe Amplitudenschwankungen auf. Die dafür notwendigen linearen Leistungsverstärker zeigen jedoch geringe Effizienzen. In der vorliegenden Arbeit werden zunächst die Anforderungen an Leistungsverstärker diskutiert und der Einfluss der Modulations- und Zugriffsverfahren untersucht. Anschließend werden die Anforderungen an den Transistor definiert und die Anforderungen an die Technologie formuliert. Es folgt eine Untersuchung der Betriebsarten von Verstärkern, welche die Grundlage für effizienzsteigernde Verstärkerarchitekturen bilden. Lineare Verstärker wie Klasse-A-, -AB- und -B-Verstärker zeigen eine hohe Linearität, die Effizienz fällt aber unterhalb der maximalen Ausgangsleistung schnell ab. Schaltverstärker wie Klasse-D- und -E-Verstärker sind zwar sehr effizient, können aber keine amplitudenmodulierten Signale verstärken. Es werden vier Methoden diskutiert, um die Effizienz unterhalb der maximalen Ausgangsleistung zu erhöhen: Der Doherty-Verstärker, der Chireix-Verstärker, die Versorgungsspannungsmodulation und der Bandpass-Klasse-S-Verstärker. Der Doherty-Verstärker bietet eine einfache Möglichkeit, die Effizienz auch unterhalb der maximalen Ausgangsleistung zu erhöhen. Das Prinzip beruht auf der Variation der Lastimpedanzen. Zwei Verstärker - ein Hauptverstärker und ein Spitzenverstärker - treiben dabei den gleichen Lastwiderstand. Der Spitzenverstärker wird nur bei hohen Ausgangsleistungen eingeschaltet und verändert das Kompressionsverhalten des Hauptverstärkers. Beim entworfenen Doherty-Verstärker erhöht sich die Effizienz 7 dB unterhalb der maximalen Ausgangsleistung von 15 % auf etwas über 27 %. Die maximale Ausgangsleistung reduziert sich allerdings von 85 W auf 56 W. Durch eine adaptive Arbeitspunktregelung des Spitzenverstärkers kann die Ausgangsleistung wieder auf 85 W erhöht werden. Die Effizienz steigt dabei nochmals um 5 % auf 32 %. Der Chireix-Verstärker basiert auf dem Prinzip der linearen Verstärkung durch nichtlineare Komponenten. Das zu verstärkende amplituden- und phasenmodulierte Signal wird durch einen Phasenmodulator in zwei gegenphasige Signale mit konstanter Amplitude aufgeteilt. Diese beiden Signale werden über hocheffiziente Verstärker verstärkt. Das ursprüngliche Signal wird durch Summation der beiden Signale wieder demoduliert. Eine Effizienzsteigerung erfolgt unter Verwendung von nichtisolierenden Summierern. Die Effizienzsteigerung beruht dabei auf der Variation der Lastgeraden. Der aufgebaute Chireix-Verstärker basiert auf dem GaAs-Transistor MRFG35010 von Freescale. Die Einzelverstärker werden im Klasse-B-Betrieb betrieben und haben eine maximale Ausgangsleistung von 5 W bei einer Frequenz von 2 GHz. Die Gesamtleistung ergibt sich damit zu 10 W. Die Effizienz beträgt maximal 52 %. Die Effizienz beim Chireix-Verstärker erhöht sich 7 dB unter der maximalen Ausgangsleistung von 25 % auf 32 % und bei 5 dB unter der maximalen Ausgangsleistung von 33 % auf 44 %. Die Versorgungsspannungsmodulation variiert die Drain- bzw. Kollektorspannung eines Verstärkers in Abhängigkeit der Aussteuerung des Transistors. Es ist das einzige untersuchte Verstärkerkonzept, welches mit allen Verstärkerklassen funktioniert. Es ist auch das einzige Konzept, welches die Bandbreite des HF-Verstärkers nicht einschränkt, solange der erforderliche Spannungsmodulator der Einhüllenden des HF-Signals folgen kann. Die Effizienz berechnet sich aus der Verkettung der Effizienzen des HF-Verstärkers und des Spannungsmodulators. Ein Verstärker auf Basis des GaAs-Transistors MRFG350101 wurde aufgebaut, dessen Versorgungsspannung über einen Klasse-AD-Verstärker geregelt wird. Die maximale Ausgangsleistung des Verstärkers beträgt 6.3 W bei einer Effizienz von 67 %. Die Versorgungsspannung wird im Bereich von 6 V - 12 V geregelt. Die Effizienz 7 dB unter der maximalen Ausgangsleistung steigt dabei von 30 % auf 44 %. Die Bandbreite des Modulators ist dabei größer als 3 MHz. Bandpass-Klasse-S-Verstärker verwenden Schaltverstärker, um ein analoges Signal hocheffizient zu verstärken. Das analoge Eingangssignal wird über einen Modulator in eine binäre Pulsfolge gewandelt, welche über einen Schaltverstärker effizient verstärkt wird. Anschließend wird das verstärkte Signal wieder demoduliert. Bandpass-Delta-Sigma-Modulatoren (BPDSM) stellen ein vielversprechendes Modulationsverfahren dar. Als Schaltverstärker können sowohl Klasse-D- Verstärker verwendet werden. Erstmals werden in dieser Arbeit analytische Untersuchungen zur Effizienz von sowohl nichtinvertierten als auch invertierten Klasse-D-Verstärkern bei Ansteuerung mit BPDSM-Signalen durchgeführt. Dies erlaubt eine Abschätzung der Effizienz von Bandpass-Klasse-S-Verstärkern unter Verwendung von Klasse-D-Verstärkern.