Weltweit erste Klasse-S-Leistungsverstärker für den Mikrowellen-Bereich

In der Mobilkommunikation rückt der Energieverbrauch der Basisstationen immer mehr in den Fokus, insbesondere wenn man die neuartigen, bezüglich der Bandbreite optimierten Modulationsverfahren mit einem hohen Verhältnis von Spitzen- zu mittlerer Leistung (PAPR) betrachtet. Aus diesem Grund werden zurzeit vermehrt Konzepte für hocheffiziente Leistungsverstärker erforscht. Die Bemühungen konzentrieren sich auf Schaltverstärker-Topologien (z.B. Klasse-E, -F, -J ...), die theoretisch eine weitaus höhere PAE als die konventionellen Verstärkerklassen ermöglichen. Einer der fortschrittlichsten Ansätze dabei ist das sogenannte Klasse-S-Konzept, das bis zum Filter am Ausgang nur digitale Signale verwendet.

Ein beliebiges schmalbandiges Eingangssignal wird mit einem Bandpass–ΔΣ-Modulator (BPDSM) in ein 1-Bit-Digitalsignal umgewandelt. Das digitale Signal wird dann durch einen hocheffizienten Leistungsschalter verstärkt. An dessen Ausgang wird aus dem verstärkten binären Signal mithilfe eines Bandfilters die Signalfrequenz f₀ rekonstruiert. Im Fall idealer Schalttransistoren überlagern sich Spannung und Strom zeitlich nicht und es wird eine hohe Effizienz unabhängig vom PAPR-Wert erreicht. Obwohl das Klasse-S Prinzip im Audiobereich weit verbreitet ist, wurde es bislang für den Mikrowellen-Frequenzbereich noch nicht genutzt. Ein Grund dafür ist, dass sehr schnelle und breitbandige Leistungstransistoren benötigt werden. Diesbezüglich ist die GaN-Technologie sehr vielversprechend, da sie hohe Durchbruchspannungen mit hoher (Schalt-) Geschwindigkeit kombiniert.

Das FBH arbeitet bereits seit einigen Jahren an der Entwicklung von Klasse-S-Verstärkern für den Mikrowellenbereich, auch innerhalb eines BMBF-Projektkonsortiums mit Partnern aus Industrie und Forschung. Kürzlich wurden die am FBH realisierten Klasse-S-Verstärker im Spannungs- und Strommodus (Voltage- und Current-Mode) auf den führenden internationalen Konferenzen auf dem Gebiet der Mikrowellentechnik erfolgreich vorgestellt. Die Verstärker für das 450 MHz-Band sind mit speziellen breitbandigen und hocheffizienten Leistungsschalter-MMICs hybrid aufgebaut. Sie basieren auf dem am FBH entwickelten 0,5 µm GaN-HEMT-Prozess und liefern Ausgangsleistungen bis zu 19 W. Die erreichten Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt für den weltweiten "State-of-the-Art" bei Mikrowellen-Klasse-S-Verstärkern dar und unterstreichen die exzellente internationale Sichtbarkeit des FBH in diesem Bereich.

Publikationen:

[1] A. Wentzel, C. Meliani, W. Heinrich, „RF Class-S Power Amplifiers, <link /fileadmin/fbh-berlin/english/ver10/pub35.htm _blank internal-link-new-window "Öffnet einen internen Link in einem neuen Fenster">"RF Class-S Power Amplifiers: State-of-the-Art Results and Potential", IEEE MTT-S Int.Microw.Symp.Dig., Anaheim, CA, May 25-27, pp. 812-815 (2010).

[2] A. Wentzel, C. Meliani, W. Heinrich, <link /fileadmin/fbh-berlin/english/ver10/pub79.htm _blank internal-link-new-window "Öffnet einen internen Link in einem neuen Fenster">"A Voltage-Mode Class-S Power Amplifier for the 450MHz Band", Proc. European Microwave Conf. (EuMC 2010), Paris, France, September 28-30, pp. 640-643 (2010).

FBH-Forschung: 05.11.2010