Linearitätsanalyse eines 40 Watt Mikrowellen-Leistungsverstärkers mit Klasse-G-Modulation

In modernen drahtlosen Kommunikationssystemen werden Mikrowellen-Leistungsverstärker eingesetzt, um das Sendesignal auf die benötigte Ausgangsleistung zu verstärken. Dabei kommen immer häufiger aufwändige Modulationsverfahren wie das orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) zum Einsatz, die die spektrale Effizienz, d.h. das Verhältnis von Datenrate zu Signalbandbreite, erhöhen. Die resultierenden Sendesignale weisen oft ein hohes Verhältnis von Spitzenleistung zur mittleren Leistung auf. Für den Leistungsverstärker bedeutet dies, dass für einen Großteil der Zeit die Sendeleistung deutlich unterhalb der Maximalleistung liegt und nur für kurze Momente die volle Leistung abgerufen wird. Der Verstärker wird somit im sogenannten Back-off-Bereich betrieben. Bei linearen Leistungsverstärkern sinkt die Effizienz bei reduzierter Ausgangsleistung. Dies bedeutet, dass im Back-off-Bereich nur deutlich geringere Effizienzwerte erreicht werden. Eine Möglichkeit, um diesem Problem entgegenzuwirken, ist die Versorgungsspannungsmodulation mit einem Klasse-G-Modulator.

Bei der Klasse-G-Modulation wird die Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers in Abhängigkeit der aktuellen Signalleistung stufenweise variiert. Als Referenz dient dabei die Amplitude der Einhüllenden des modulierten HF-Signals. Durch das Absenken der Versorgungsspannung wird die maximale Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers reduziert. Dadurch verringern sich auch die Verluste im Verstärker, was wiederum die Effizienz erhöht. Das Umschalten der Versorgungsspannung beeinflusst jedoch die Linearität des Verstärkers, da der Verstärkungsfaktor von der Versorgungsspannung abhängig ist. Dies wird durch den oberen Graph in Abb. 1 dargestellt, der die Amplitudenverzerrung in Abhängigkeit der Eingangsleistung darstellt. Am FBH wird ein neu entwickeltes System hinsichtlich der Linearität und der Korrigierbarkeit mittels digitaler Vorverzerrung (engl. digital predistortion, DPD) untersucht.

Als Ausgangspunkt dient ein Leistungsverstärker mit 40 Watt Spitzenleistung und ein zweistufiger Klasse-G-Modulator. Beide wurden am FBH entwickelt und basieren auf der GaN-Halbleiter-Technologie des Instituts. Die Untersuchung zeigt, dass sich die Linearität des Systems durch die Klasse-G-Modulation sehr stark verschlechtert. Mithilfe von DPD lässt sich diese jedoch soweit wieder herstellen, dass nahezu dieselben Ergebnisse wie bei einem System mit konstanter Versorgungsspannung erzielt werden können – bei einer Erhöhung der Effizienz des Gesamtsystems um 10 - 15%. Dies ist in Abb. 2 für verschiedene Schaltschwellen dargestellt. Abb. 3 verdeutlicht den Einfluss auf die Linearität, dargestellt in Form des normalisierten quadratischen Fehlers (engl. normalized mean square error, NMSE). Die Ergebnisse zeigen, dass der Ansatz mit Klasse-G-Modulation sehr vielversprechend ist und in Zukunft signifikant zur Effizienzsteigerung von Leistungsverstärkern beitragen kann.

Publikation:

N. Wolff, O. Bengtsson, M. Schmidt, M. Berroth, W. Heinrich, “Linearity Analysis of a 40 W Class-G Modulated Microwave Power Amplifier,” Proc. 45th European Microwave Conf. (EuMC 2015), Paris, France, Sep. 7-10, pp. 1216-1219 (2015).