Flexible und effiziente Mikrowellen-Leistungsverstärker für Mobilfunkbasisstationen der Zukunft

Die stetig steigenden Anforderungen an die heutige drahtlose Mobilkommunikation (wachsende Teilnehmerzahlen, mehr Anwendungen, höhere Datenraten) benötigen breitbandige Übertragungskanäle (z.B. im LTE) und spektral effiziente Modulationsansätze mit einer optimalen Ausnutzung der vorhandenen (begrenzten) Bandbreite. Eine Folge dieser Forderung ist, dass der HF-Verstärker bei einem hohen Verhältnis von maximaler zu durchschnittlicher Leistung (PAPR) arbeiten muss. Nutzt man die klassischen linearen Verstärkerkonzepte, z.B. Klasse-AB, verringert dies signifikant den Wirkungsgrad. Daher kommen derzeit bei einem üblichen PAPR von 6 - 8 dB typischerweise Konzepte wie „Doherty“ oder „Envelope Tracking“ zum Einsatz.

Der H-Brücken-Klasse-D-Verstärker ist ein weiteres geeignetes Konzept zur Effizienzsteigerung. Die Topologie beruht auf zwei komplementär verschalteten Voltage-Mode Klasse-D-Verstärkern mit jeweils zwei Endstufentransistoren, die als Schalter betrieben werden. Bisher wurde die H-Brücke entweder voll integriert als MMIC mit Ausgangsleistungen < 1 W oder mit Technologien realisiert, die bezüglich f_T und Leistungsdichte gegenüber GaN sehr limitiert sind.

Am FBH wurde ein GaN-basierter Klasse-D-Verstärker in H-Brücken-Topologie für das 900 MHz Band entwickelt und aufgebaut. Die Abbildungen zeigen das Konzept und das realisierte Verstärkermodul.

Der aufgebaute Demonstrator erreicht eine Spitzeneffizienz von 50% und eine maximale Ausgangsleistung von 8 W. Bei einem PAPR von 10 dB sinkt die Effizienz auf 22%. Dieses Ergebnis wurde mit einem speziellen pulsweitenmodulierten Signal erreicht. Darüber hinaus wurden auch andere Modulationen, wie z.B. Bandpass-ΔΣ-Modulation, getestet, konnten aber keine Verbesserungen erzielen. Der Verstärker stellt eine kompakte, effiziente und flexible Alternative für zukünftige Mobilfunkbasisstationen dar und ermöglicht es, den digitalen Anteil der Basisstations-Architektur zu erweitern. Das realisierte Modul verbessert den Stand der Technik in zweierlei Hinsicht:

• Es ist die erste H-Brücke im Mikrowellenbereich (900 MHz) mit einer Spitzenausgangsleistung im 10 W-Bereich.
• Die H-Brücken-Topologie (siehe Abb.) eröffnet neue Freiheitsgrade bezüglich der ternären Kodierverfahren, um den Effizienzabfall über PAPR zu reduzieren.

Diese Ergebnisse, die auf dem IEEE International Microwave Symposium in Montreal vorgestellt wurden, bestätigen die international führende Rolle des FBH in diesem Forschungsfeld.

Publikation

A. Wentzel, C. Meliani, G. Fischer, W. Heinrich, ”An 8 W GaN-based H-Bridge Class-D PA for the 900 MHz Band Enabling Ternary Coding”, IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest 2012, WEPG-14, Montreal, Canada.

FBH-Forschung: 14.08.2012