FBH-Forschung: 07.06.2012

GaN-HEMTs in Envelope-Tracking-Systemen für die Telekommunikation

Zeitfunktion
Abb. 1: Zeitfunktion eines Zwei-Ton-Signals und dabei entstehende Verluste (grau) bei konstanter Betriebsspannung (grün) – verglichen mit dem Fall für modulierte Betriebsspannung (rot).
Prinzip ET-System
Abb. 2: Prinzip eines Envelope-Tracking-Systems mit einem HSA als Spannungsmodulator, Schaltverstärkerteil des HSA (= roter Rahmen).

Die Energieeffizienz von Basisstationen für die drahtlose Telekommunikation ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Das Problem ist, dass die Signale der modernen spektrum-ökonomischen Modulationsverfahren wie WCDMA und Long-Term-Evolution (LTE) ein hohes Verhältnis zwischen Spitzen- und Durchschnittswert der Leistung (peak-to-average-power-ratio, PAPR) aufweisen. Dies ist ungünstig für die Hauptenergieverbraucher in der Basisstation, die Leistungsverstärker, die dadurch in einem effizienzmäßig ungünstigen Betriebszustand arbeiten müssen. Deshalb wird intensiv an der Verbesserung dieser Back-Off-Effizienz gearbeitet. Eine Verbesserungsmöglichkeit ist, die Betriebsspannung der Endstufe mit der Momentanleistung des Signals, also der Hüllkurve, zu variieren. Dieses Konzept ist als Envelope Tracking (ET) bekannt. Abb. 1 verdeutlicht die Funktion.

Wenn die momentane Signalleistung gering ist, entsteht eine große Differenz zwischen Betriebs- und Signalspannung. Diese Differenz wird als Verlust im Verstärker vernichtet. Variiert man nun die Betriebsspannung mit der Hüllkurve des Signals, wird diese Differenz niedrig gehalten. Damit bleiben auch die Verluste klein, der Wirkungsgrad steigt also.

Einer der erfolgversprechendsten Ansätze zur Realisierung eines derartigen Spannungsmodulators ist der sogenannte hybride Schaltverstärker (hybrid switching amplifier - HSA), der in Abb. 2 veranschaulicht ist. Er besteht aus einem linearen Breitbandverstärker, der mit einer hocheffizienten Schaltstufe verbunden ist (siehe rotes Rechteck im Bild). Wenn der HF-Verstärker mehr Strom benötigt, steigt der Spannungsabfall über dem Detektorwiderstand, der Schalter geht in den aktiven Zustand und liefert den benötigten Strom. Diese Schaltstufe wird bisher meist in Si-MOSFET-Technik realisiert. Am FBH wurde deshalb ein Projekt begonnen, das untersucht, wie die GaN-HEMT-Technologie die MOSFETs in der Schaltstufe ersetzen kann und welche Verbesserungen damit erreichbar sind. Eine modulare Design-Umgebung, in der die verschiedenen Technologien unter vergleichbaren Bedingungen getestet werden können, wurde entwickelt. Die Resultate sind vielversprechend: Bereits für ein noch nicht optimiertes Design erreichten die GaN-Transistoren mit den MOSFETs vergleichbare Werte. Erste Ergebnisse wurden auf der German Microwave Conference (GeMiC) 2012 in Ilmenau präsentiert und erhielten dort den Best Paper Award.

Die Arbeiten werden nun fortgesetzt und verbesserte Versionen der GaN-HEMT-Schaltstufe, auch für höhere Leistungen (30 W), werden entwickelt. Diese werden zusammen mit einem auf ET optimierten Leistungsverstärker (siehe weiteres GeMiC-Paper) als komplettes ET-Modul in den kommenden Monaten aufgebaut und charakterisiert.

Parallel zu den Arbeiten am ET-Modulator werden Möglichkeiten untersucht, die GaN-Bauelemente gezielt auf die Anforderungen der ET-Modulation hin zu optimieren. Dazu wurde eine Messtechnik-Umgebung mit den entsprechenden Post-Processing-Methoden realisiert, mit deren Hilfe die Bauelemente bereits on-wafer unter ET-Bedingungen charakterisiert werden können. Diese Ergebnisse wurden 2011 in der Zeitschrift FREQUENZ publiziert.

Publikationen

R. Perea-Tamayo, O. Bengtsson, P. Landin (University of Gävle, Sweden), W. Heinrich, "A modular hybrid switching amplifier for wide-bandwidth supply-modulated RF power amplifiers", 7th German Microwave Conference (GeMiC), 2012, 12-14 March 2012, IEEE Conference Publication (2012).

A. Raemer, O. Bengtsson, W. Heinrich, "Software optimization of a supply modulated GaN-amplifier for baseband access ET systems",  7th German Microwave Conference (GeMiC), 2012, 12-14 March 2012, IEEE Conference Publication (2012).

O. Bengtsson, S. Chevtchenko, R. Doerner, P. Kurpas, W. Heinrich, "Load-Pull Investigation of a High-Voltage RF-Power GaN-HEMT Technology in Supply Modulated Applications", Frequenz. Volume 65, Issue 7-8, Pages 217–224, ISSN (Online) 2191-6349, ISSN (Print) 0016-1136, DOI: 10.1515/freq.2011.030, August 2011.