Effiziente Leistungsverstärkerarchitekturen für Mobilfunkbasisstationen

Abstract

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.

Today's communication standards require modulation processes which modulate the information in phase as well as in amplitude of the carrier, in order to fulfill bandwidth specifications. The signals show large variations in amplitude that have to be amplified linearly. However, the necessary linear power amplifiers suffer from low efficiencies. In this thesis, first the requirements for the power amplifiers are discussed, and how they are influenced by modulation processes and access methods. Second, the requirements for the transistors are defined and the requirements for the technology are derived. An analysis of the operation mode of amplifiers follows, which forms the background for improved efficiency amplifier architectures. Linear amplifiers like class A, AB and B amplifiers show high linearity, but its efficiency decreases in backoff. Though switching amplifiers like class D and E amplifiers are very efficient, they can not amplify amplitude-modulated signals. In the following chapter, four methods are discussed to increase the efficiency below the maximum output power: The Doherty amplifier, the Chireix amplifier, the envelope modulation and the bandpass class S amplifier. The Doherty amplifier provides a simple method to improve the efficiency below the maximum output power. The principle is based on the variation of the load impedances. Two amplifiers - one main amplifier and one auxiliary amplifier - drive the same load resistance. The auxiliary amplifier is only switched on at high output power and changes the compression behaviour of the main amplifier. With the designed Doherty amplifier the efficiency 7 dB below the maximum output power improves from 15 % up to almost over 27 %. But the maximum output power is reduced from 85 W to 56 W. Using an adaptive bias control of the auxiliary amplifier, the output power can be increased again to 85 W. Thereby, the efficiency also increases once again by 5 % up to 32 %. The Chireix amplifier is based on the principle of linear amplification via non-linear components. The amplitude- and phase-modulated signal that has to be amplified is split via a phase-modulator in two opposite phase signals with constant amplitude. These two signals are amplified using a high-efficient amplifier. The original signal is revovered by summation of the two amplified signals. An increase in efficiency takes place when applying non insulating couplers. The increase in efficiency is due to the variation of the load impedance. If saturated class B amplifiers are used, compensation elements at the coupler have to be added, in order to get an increase in efficiency. The behaviour of the efficiency below the maximum output power can be controlled via these elements. If class D amplifiers are used, these compensation elements are not necessary. The efficiency is mainly determined by the charging and discharging of parasitic capacitances. The envelope modulation varies the drain or collector voltage of an amplifier depending on the envelope of the carrier. This is the only amplifier concept discussed within in this thesis which works with all amplifier classes. It is also the only concept which does not restrict the bandwidth of the RF amplifier, as long as the essential voltage modulator can follow the envelope of the carrier. The efficiency is calculated from the catenation of the efficiencies of the RF amplifier and the voltage modulator. Therefore, the efficiency of the voltage modulator must be as high as possible. An amplifier based on the GaAs transistor MRFG350101 has been built. Its supply voltage is controlled by a class AD amplifier. The maximum output power of the amplifier is 6.3 W with an efficiency of 67 %. The supply voltage is controlled in the range of 6 V to 12 V, as below 6 V, the amplification degrades rapidly. The efficiency 7 dB below the maximum output power increases thereby from 30 % up to 44 %. The bandwidth of the modulator is larger than 3 MHz. Bandpass class S amplifiers use switching amplifiers, in order to amplify an analogue signal with high efficiency. The analogue input signal is transformed by a modulator into a binary pulse train, which is efficiently amplified using a switching amplifier. Afterwards, the amplified signal is demodulated again. Bandpass Delta Sigma modulators represent a promising modulation method. As switching amplifier, voltage controlled class D amplifiers as well as current controlled class D amplifiers can be used. Due to the irregular switching of the transistors, negative currents occur with the voltage controlled class D amplifier, and negative voltages with the current controlled class D amplifier. These reduce the efficiency of the amplifier, as parasitic elements have to be charged and discharged. For both amplifiers the ouptut power capability is below that of the class B amplifier, so that for the same output power larger transistors have to be used.