FBH-Forschung: 04.06.2015

Flexible GaN Chips für die drahtlose Infrastruktur der Zukunft

Realisiertes H-Brücken VM Klasse-D/S Verstärkermodul
Abb. 1. Realisiertes H-Brücken VM Klasse-D/S Verstärkermodul; Größe: 68x42x15 mm3.
Ausgangsleistung, Draineffizienz (Endstufe) und Gesamteffizienz
Abb. 2. Ausgangsleistung, Draineffizienz (Endstufe) und Gesamteffizienz vs. Eingangsleistungs-Back-Off; Eingangssignal: 1-Ton PWM Signal.

Die mobile Kommunikationsinfrastruktur der Zukunft verlangt hohe Flexibilität und Effizienz, und das so kostengünstig wie möglich. In den meist schon digital ausgeführten Mobilfunkbasisstationen stellt der Hochfrequenzleistungsverstärker (HF-PA) den letzten analogen Teil in der Transmitterkette dar. Der stetig steigende Bedarf an breitbandigen Multi-Standard Anwendungen sowie der Fortschritt in der Technologieentwicklung treiben jedoch in den letzten Jahren die Forschung immer mehr in die Richtung nicht-analoger Verstärkerkonzepte. Das oberste Ziel dabei ist der komplett digital realisierte Transmitter. Die Schlüsselrolle in diesem Konzept ist der aktive Teil.

Erst kürzlich hat das FBH beim IEEE International Microwave Symposium 2015 in Phoenix einen neuartigen 4-stufigen Voltage-Mode (VM) Schaltverstärkerchip auf GaN-Basis vorgestellt. Dieser kompakte, hoch flexible und effiziente Chip dient als Baustein für sämtliche digitale Schaltverstärkertopologien. Um seine Vielseitigkeit nachzuweisen, wurden zwei verschiedene Klasse-S Verstärker im 800 MHz LTE-Band mit dem gleichen Chip realisiert: ein single-chip VM-Verstärker und eine H-Brücke, letzterer beinhaltet dabei die Option des digitalen Doherty-Betriebs.

Es wurden Ausgangsleistungen von 14 W und Effizienzen bezüglich der Endstufe (ηdrain) bis 80% erzielt. Darüber hinaus konnte eine maximale Gesamteffizienz (PAE) von 47% und ein Großsignalgewinn von 40 dB erreicht werden. Bei Anwendung des digitalen Doherty-Konzepts auf die H-Brücke wurden bei einer bei Signalfrequenz um 6 dB und 12 dB verringerten Eingangsleistung (power back-off) ηdrain-Werte von 75% und 40% gemessen.

Die Ergebnisse zeigen deutlich die Vorteile des digitalen Verstärkerkonzepts, nämlich das man mit einem Chip verschiedene Typen von Verstärkern realisieren kann; man muss nur die Peripherie ändern. Darüber hinaus lassen sich weitere Optionen wie z.B. Multi-Band Anwendungen einfach aufbauen und testen.

Publikation

A. Wentzel, S. Chevtchenko, P. Kurpas, and W. Heinrich "A Flexible GaN MMIC Enabling Digital Power Amplifiers for the Future Wireless Infrastructure" IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., Phoenix, USA, May 17-22, TH2B-5 (2015).