FBH-Forschung: 17.07.2013

Flexible und effiziente Mikrowellen-Leistungsverstärker für Remote-Radio-Head-Anwendungen der Zukunft

Schaltung Klasse-D-Leistungsverstärker
Abb. 1: Schaltung des Dual-Band Klasse-D-Leistungsverstärkers für 0,8/1,8 GHz.
Realisierter Klasse-D-Leistungsverstärker
Abb. 2: Realisiertes Modul des Klasse-D-Leistungsverstärkers für zwei Frequenzbänder.

Die heutige Infrastruktur für die mobile Kommunikationstechnik verlangt hohe Flexibilität, geringe Kosten und hohe Effizienz. Folglich muss der Hochfrequenz-Leistungsverstärker als ein Schlüsselelement in der Transmitter-Architektur weiter optimiert werden. Eine spezielle Herausforderung ist dabei die Multi-Band-Fähigkeit, auf die viele Bemühungen in den letzten Jahren zielten. Die meisten Lösungsansätze basieren auf linearen Verstärkerkonzepten und/oder ihren Kombinationen. Will man allerdings einen Transmitter mit einem höheren digitalen Anteil – und damit höherer Effizienz und Leistungsfähigkeit – realisieren, haben sich Verstärkerkonzepte der Klasse-S und Klasse-D bewährt. Bisher wurden damit im Mikrowellenbereich allerdings nur Leistungsverstärker für ein einzelnes Frequenzband realisiert.

Am FBH wurde nun die erste Dual-Band-Version dieses Verstärkertyps realisiert. Das Modul kombiniert einen digitalen GaN-Klasse-D-Leistungsverstärker nach dem Voltage-Mode-Prinzip und ein SMD-basiertes Filter am Ausgang für die LTE-Frequenzbänder, dem Mobilfunkstandard der vierten Generation, von 0,8 und 1,8 GHz. Das kompakte und sehr flexible Verstärkermodul ist besonders interessant für zukünftige Remote-Radio-Head-Aufbauten. Dies sind besonders robuste, direkt an den Antennenmast montierte kompakte Baugruppen mit geringem Formfaktor, die u.a. Spannungsversorgung, Sender, Empfänger und Endverstärker umfassen. Durch die Platzierung in Antennennähe wird eine niedrigere Sendeleistung benötigt, dadurch steigt der Wirkungsgrad erheblich. Spitzenausgangsleistungen von nur noch um die 10 W sind nötig. Abb. 1 zeigt das Konzept und Abb. 2 das realisierte Verstärkermodul.

Der Verstärker erreicht maximale Ausgangsleistungen von 5,4 W und 4,3 W bei 850 MHz bzw. 1,8 GHz. Bei diesen Leistungen wurde eine Großsignal-Verstärkung von 23 dB (850 MHz) und 22 dB (1,8 GHz) erreicht. Die maximalen Drain-Effizienzen der Endstufe von 84% bei 850 MHz und 54% bei 1,8 GHz wurden bei Vollaussteuerung erzielt. Verringert man die Eingangsleistung bei der Signalfrequenz um 12 dB (12 dB power back-off), sinkt die Effizienz auf 20% und 10% für 850 MHz bzw. 1,8 GHz.

Am FBH wurde somit das erste auf Pulsmodulation basierende Dual-Band-Leistungsverstärkermodul im Mikrowellenbereich für Ausgangsleistungen größer 1 W realisiert. Gleichzeitig bietet der hier vorgeschlagene Ansatz mit dem Voltage-Mode-Klasse-D-Verstärker volle Flexibilität bezüglich des Eingangssignals und vereinfacht die Integration in die digitalen Transmitterarchitekturen der nächsten Generation. Die Ergebnisse bestätigen die Führungsrolle des FBH in diesem Forschungsfeld; sie wurden beim IEEE International Microwave Symposium in Seattle präsentiert.

Publikation:

A. Wentzel, S. Chevtchenko, P. Kurpas, W. Heinrich "A Dual-Band Voltage-Mode Class-D PA for 0.8/1.8 GHz Applications" IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., Seattle, USA, Jun 2-7, TH3A-3 (2013).