Dissertation/Thesis Abstract

Wideband GaN Microwave Power Amplifiers with Class-G Supply Modulation
by Wolff, Nikolai, Ph.D., Technische Universitaet Berlin (Germany), 2018, 160; 11005923
Abstract (Summary)

Der kontinuierlich und rapide steigende Bedarf an mobilem Zugang zu Kommunikationsnetzen führte weltweit zu einem deutlichen Anstieg von installierten Mobilfunk-Basisstationen, um eine flächendeckende Versorgung mit der nötigen Qualität sicherzustellen. Dies hat dazu geführt, dass die mobilen Kommunikationsnetze signifikant zum weltweiten Energieverbrauch beitragen. Die Notwendigkeit zur Einsparung von Betriebskosten und das steigende Bewusstsein im Umgang mit dem Verbrauch von Energie hat dabei Forschungen zur Effizienzsteigerung dieser Systeme in den Mittelpunkt gerückt. Bei einer Analyse des Energieverbrauchs in einer heutigen Mobilfunk-Basisstation wird schnell ersichtlich, dass der HF-Leistungsverstärker dabei den bedeutendsten Anteil beiträgt und zwischen 50% und 80% der Energie verbraucht. Durch die rasch wachsenden Datenraten werden breitbandige Mehrträger-Modulationsformate mit hoher spektraler Effizienz benötigt. Der HF Leistungsverstärker muss dadurch über einen weiten Dynamikbereich sowohl sehr linear als auch effizient arbeiten, da die modulierten Signale ein hohes Verhältnis von Spitzen- zu Mittelwertleistung haben. Klassische HF Leistungsverstärker erfüllen diese Anforderungen nur ungenügend. Aus dieser Problematik heraus wurden verschiedene Verstärkertopologien mit verbesserter power back-off Effizienz entwickelt. Ein vielversprechendes Konzept in diesem Zusammenhang ist die Modulation der Versorgungsspannung des HF Leistungsverstärkers mit der Einhüllenden des modulierten Signals. Ein Sonderfall dieser Topologie mit diskreten Versorgungsspannungsstufen (Klasse-G Modulation der Versorgungsspannung) wird in dieser Arbeit untersucht.

Die Arbeit behandelt alle Aspekte eines Klasse-G-modulierten HF-Leistungsverstärkers. Zu Beginn werden die Eigenschaften von linearen Verstärkern und solchen mit reduziertem Stromleitwinkel für den Betrieb mit variabler Versorgungsspannung theoretisch untersucht. Auf Basis dieser Voruntersuchungen werden dann Prototypen realisiert. Mit Hilfe von Messungen wird so die Validität der Theorie überprüft und der Einfluss der vielzähligen Parameter, wie z.B. die Wahl der diskreten Versorgungsspannungen, die Schwellen für das Umschalten der Versorgungsspannung und die elektrische Verbindung zwischen Klasse-G Modulator und HF Verstärker untersucht. Parallel zur Weiterentwicklung der HF Leistungsverstärker werden Klasse-G-Versorgungsspannungsmodulatoren entwickelt und an die Anforderungen angepasst.

Ein weiterer wichtiger Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Aufbau eines Messplatzes für die dynamische Charakterisierung der Klasse-G-modulierten HF-Leistungsverstärker und der Linearisierung mittels digitaler Vorverzerrung im Basisband. Des Weiteren werden der erforderliche Dynamikumfang für die Linearisierung mittels digitaler Vorverzerrung und verschiedene Konzepte zur Erhöhung des Dynamikumfangs mittels Signalverarbeitung untersucht und implementiert. Auf Galliumnitrid-Technologie basierende Klasse-G-modulierte HF-Leistungsverstärker zeigen im Betrieb ein stark nichtlineares Verhalten. Die Kompensation der Nichtlinearitäten wird mittels einer digitalen Vorverzerrung, die auf Verhaltensmodellen beruht, implementiert und ein neues für Klasse-G-Betrieb optimiertes Modell eingeführt.

Abschließend werden die Meilensteine der in dieser Arbeit entwickelten Klasse-G Systeme zusammengefasst und vorgestellt. Dies beginnt mit dem ersten rudimentären Prototyp, der den dynamischen Klasse-G Betrieb mit Signalen bis 20 MHz Modulationsbandbreite ermöglicht, und endet bei einem System mit einer Modulationsbandbreite von 120 MHz, das den aktuellen Stand der Technik der kontinuierlich versorgungsspannungsmodulierten Systeme erreicht und hinsichtlich der Bandbreite deutlich übertrifft.

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Advisor: Kissinger, Dietmar
Commitee: Heinrich, Wolfgang, Weigel, Robert, Fager, Christian
School: Technische Universitaet Berlin (Germany)
School Location: Germany
Source: DAI-C 81/1(E), Dissertation Abstracts International
Source Type: DISSERTATION
Subjects: Electrical engineering
Keywords: Wideband GaN microwave power amplifiers, Class-G supply modulation
Publication Number: 11005923
ISBN: 9781392737262
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