Ultrabreitbandige Envelope-Tracking-Systeme mit Klasse-S Spannungsmodulator für 5G
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Vorhaben umfasste drei Themenbereiche: 1) GaN-Leistungsverstärker (HF-LV) für 26…28 GHz, ausgelegt für den ET-Betrieb, 2) Digitaler Modulator, der die Betriebsspannung des HF-LV gemäß der Einhüllenden des Signals moduliert und 3) Zusammenschaltung dieser beiden Komponenten zu einem Envelope-Tracking (ET) System und dessen Charakterisierung. In Bezug auf den MMIC-Leistungsverstärker (HF-LV) ist festzuhalten: • Es wurden koplanare HF-LV mit der 0,15µm-GaN-MMIC-Technologie am FBH realisiert, die mit 2 W Ausgangsleistung bei 26 GHz den Stand der Technik für koplanare Versionen im Frequenzbereich über 25 GHz widerspiegeln, allerdings unterhalb der Performanz von Microstrip-Versionen liegen. • Die PAE ist im Backoff mit 4 % für 10 dB gegenüber 11% bei 0 dB sehr niedrig. • Dies beeinflusst entscheidend das Verbesserungspotential durch ET- und Doherty- Konzepte. Im Vorhaben konnte experimentell mit statischem ET eine Verbesserung um 2 Prozentpunkte von 1,7 % auf 3,8 % nachgewiesen werden. • Bei Ka-Band-Verstärkern mit höherer Effizienz erhöhen sich diese Werte entsprechend, eine erste Abschätzung führt aber selbst bei 0 dB-Effizienzen von 40 % nur auf Verbesserungen von weniger als 10 Prozentpunkten. Der digitale Modulator als das kritischste Glied wurde besonders ausführlich untersucht: • Die aus den Vorarbeiten bekannten digitalen Verstärker zeigen als DC-DC-Konverter bei niedrigen Ausgangsspannungen (und damit niedrigen Betriebsspannungen des PA) eine zunehmende Verschlechterung des Wirkungsgrades. • Deshalb wurden mit der 0,25 µm-GaN-Technologie des FBH zwei weitere Topologien entwickelt, die auf dem Buck-Konverter und Boost-Konverter beruhen. Der Boost- Konverter konnte nur hybrid realisiert werden, da er leistungsfähige Dioden benötigt, die bisher nicht in einer MMIC-Umgebung verfügbar waren. Mit dem hybrid aufgebauten Boost-Konverter wurden Effizienzen im Bereich 35…90 % erreicht. • Die demonstrierten Effizienzen sind, gerade angesichts der aufbaubedingten parasitären Effekte, beachtlich, reichen jedoch noch nicht aus, um ein vom Gesamtwirkungsgrad her überzeugendes ET-System im K-Band zu realisieren. Mit den im Vorhaben entwickelten Komponenten wurde ein ET-System aufgebaut und getestet und die Funktion demonstriert. Dabei erwies sich eine verlässliche Breitband-Messung mit modulierten Signalen trotz Einsatz eines weltweit einzigartigen Messplatzes und großem Aufwand als Herausforderung und konnte nicht im gewünschten Umfang durchgeführt werden, so dass die Ergebnisse durch Extrapolationen ergänzt werden mussten. Insgesamt gesehen ergeben sich anhand der erzielten Ergebnisse drei Schlussfolgerungen: • Die absolute Verbesserung der Leistungseffizienz durch ET sinkt mit steigender Frequenz durch die sich verschlechternden PAE-Werte. Dies gilt im Übrigen für das Doherty-Konzept in ähnlichem Maße. Die geringeren eingesparten DC-Leistungen begrenzen das für zusätzliche Komponenten wie den Modulator bei ET sinnvoll verfügbare Leistungsbudget. • Envelope-Tracking mit kontinuierlicher Aussteuerung ist bei größeren Bandbreiten wegen der geringen Modulatoreffizienzen auch bei digitalen Ansätzen, die auf PWM basieren, nur mit Einschränkungen sinnvoll. Eine diskrete Modulation (Klasse G), die nur zwischen verschiedenen Spannungswerten hin und her schaltet, verspricht dem gegenüber bessere Resultate und sollte weiterverfolgt werden. • Die Linearität gewinnt mit steigender Betriebsfrequenz an Bedeutung, da bei insgesamt sinkenden Verstärkungen deren spannungsbedingte Änderungen wachsen, was den Linearisierungsaufwand erhöht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Switch-Type Modulators and PAs for Efficient Transmitters in the 5G Wireless Infrastructure," 2018 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on 5G Hardware and System Technologies (IMWS-5G), 2018, pp. 1-3
N. Wolff, S. Chevtchenko, A. Wentzel, O. Bengtsson and W. Heinrich
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/IMWS-5G.2018.8484690) - “Highly Compact GaN-based All-Digital Transmitter Chain Including SPDT Switch for Massive MIMO,” in Proceedings of the 48th European Microwave Conference (EuMC) 2018, pp. 918 - 921, Madrid, Spain
F. Hühn, A. Wentzel, W. Heinrich
(Siehe online unter https://doi.org/10.23919/EuMC.2018.8541526) - “Versatility, Bandwidth and Efficiency: Digital GaN-Based Switch-Mode Supply Modulators,” in Proceedings of the 48th European Microwave Conference (EuMC) 2018, pp. 523 - 526, Madrid, Spain
F. Hühn, A. Wentzel, W. Heinrich
(Siehe online unter https://doi.org/10.23919/EUMC.2018.8541774) - “A Reconfigurable Modulator for Digital Outphasing Transmitters,” in IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest 2019, pp. 1480 – 1483, Boston, USA
F. Hühn, A. Wentzel, W. Heinrich
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/MWSYM.2019.8700817) - “Highly Compact GaN-based All-Digital Transmitter Chain Including SPDT T/Rx Switch for Massive MIMO Applications,” in International Journal of Microwave and Wireless Technologies, Vol. 11, Special Issue 7, pp. 609 - 617, April 2019
F. Hühn, A. Wentzel, W. Heinrich
(Siehe online unter https://doi.org/10.1017/S175907871900045X) - “Wideband GaN-based supply modulated power amplifier systems-aiming for 5G at mmW,” Workshop-Wideband Supply Modulated RF Power Amplifiers for Energy Efficient Wireless Communication Infrastructure – towards 5G, International Microwave Symposium, Boston, USA, 2019
O. Bengtsson, S. Paul, S. Preis, N. Wolff
- "High Efficiency, High Bandwidth Switch-Mode Envelope Tracking Supply Modulator," in 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Los Angeles, CA, USA, 2020, pp. 853-856
F. Hühn, F. Müller, L. Schellhase, W. Heinrich and A. Wentzel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/IMS30576.2020.9223925) - “A highly efficient GHz switching GaN-based synchronous buck converter module,” in International Journal of Microwave and Wireless Technologies, vol. 12, no. 10, pp. 945–953, 2020
A. Wentzel, O. Hilt, J. Würfl, and W. Heinrich
(Siehe online unter https://doi.org/10.1017/S1759078720000380) - “Discrete level supply modulation with large dynamic wideband signals,” Workshop-High-efficiency linear power amplifiers for high bandwidth, high PAR signals, European Microwave Week, Utrecht, the Netherlands (Online), 2020
O. Bengtsson, S. Paul, S. Preis, N. Wolff
- "Wideband Vector Corrected Measurements on a Modified Vector Network Analyzer (VNA) System", 99th Automatic Radio Frequency Techniques Group, ARFTG, 2022
C. Schulze, W. Heinrich, J. Dunsmore, and O. Bengtsson
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ARFTG54656.2022.9896558)
