Digitale Doherty-Sendeverstärker für die mobile Infrastruktur des SDR der Zukunft
Abb. 1: Aufbau des digitalen Doherty-Sendeverstärkers inklusive Envelope-Delta-Sigma-Modulator (NEC) und zwei GaN-Voltage-Mode-Klasse-D-Verstärker (FBH)
Abb. 2: Draineffizienz (Endstufe) vs. Eingangsleistungs-Back-Off; Eingangssignal: 1-Ton-Envelope-Delta-Sigma moduliertes Signal
Wenn die drahtlose Infrastruktur – wie etwa Basisstationen für die Mobilkommunikation – weiter optimiert werden soll, sind digitale Verstärkerkonzepte besonders attraktiv. Bis auf den Hochfrequenz-Leistungsverstärker (HF-Verstärker) ist ihr Aufbau nämlich bereits weitestgehend digitalisiert. Werden alle Signale bis zur Endstufe digital verarbeitet, vereinfacht das den Systemaufbau signifikant: Dadurch lassen sich Platz und Kosten einsparen. Zusätzlich sind digitale Verstärker flexibler in Bezug auf die Signalfrequenz und verbrauchen weniger Energie bei Nutzung moderner Mobilkommunikationsstandards wie 3G und 4G. Dieses Potential macht sie besonders interessant für Unternehmen, die im Mobilfunksektor aktiv sind. So hat das FBH Ende 2013 zusammen mit dem japanischen Unternehmen NEC eine neuartige Senderarchitektur vorgestellt und verifiziert. Dieser Aufbau arbeitet nach dem digitalen Doherty-Konzept und kombiniert spannungsgekoppelte Voltage-Mode-Klasse-D-Verstärker mit einem effizienten 1-bit-Modulationsschema (EDSM).
Das Doherty-Konzept konnte dabei erstmals für digitale Signale getestet und erfolgreich in die "digitale Welt" übertragen werden. Bisher wird es nur für analoge Eingangssignale genutzt. Die grundlegende Idee hinter dem Doherty-Ansatz ist, dass zwei Verstärker parallel betrieben werden. Einer von ihnen ist effektiv nur bei Vollaussteuerung angeschaltet, was die Effizienz bei Back-Off-Betrieb beträchtlich erhöht. Das ist nötig, da aufgrund der modernen Kommunikationsstandards die HF-Verstärker in den Mobilfunkbasisstationen hauptsächlich bei 6…12 dB unterhalb der Vollaussteuerung am Eingang arbeiten (Back-Off-Betrieb).
Der aufgebaute digitale Doherty-Sendeverstärker erreicht an der Endstufe Draineffizienzen von 73% bei 6 dB Back-Off (BO) für ein 860 MHz CW-Signal und 57% für ein CDMA-Signal mit einer Bandbreite von 1 MHz und 6,5 dB PAPR. Im Vergleich mit einem konventionellen balancierten digitalen Verstärker zeigt der Doherty-Verstärker bis zu 20% mehr Effizienz bei Betrieb zwischen 6 dB und 12 dB unterhalb der Vollaussteuerung. Für breitbandige Kommunikationssignale moderner Modulationsverfahren wie WCDMA beträgt der Effizienzgewinn rund 10%. Diese Ergebnisse demonstrieren das Potential der vorgestellten digitalen Doherty-Architektur, die eine hocheffiziente und flexible Lösung für zukünftige Software-Defined-Radio (SDR)-Infrastrukturen bietet.
Publikation:
K. Motoi, A. Wentzel, M. Tanio, S. Hori, M. Hayakawa, W. Heinrich, K. Kunihiro, "Digital Doherty Transmitter with Envelope ΔΣ Modulated Class-D GaN Power Amplifier for 800 MHz band", IEEE International Microwave Symposium Digest 2014, TU4F-1, Tampa, USA.
FBH-Forschung: 26.08.2014