Last- & Versorgungsspannungsmodulation

Dabei wird die Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers entsprechend der momentanen Amplitude der Einhüllenden des modulierten Signals variiert. Dies kann kontinuierlich (Envelope Tracking) oder in diskreten Stufen (Klasse-G) realisiert werden, wobei letzteres besonders hohe Bandbreiten ermöglicht.

Aktuell fokussieren wir uns aktuell auf verschiedene Arten von Envelope Tracking (ET) Systemen. Wir stellen uns dabei den Herausforderungen, um Verstärker dieser Art mit hoher Leistungseffizienz zu realisieren:

• Der Modulator oder DC/DC-Konverter, der die variierende Versorgungsspannung zur Verfügung stellt, muss genügend Leistung mit sehr großer Bandbreite und Effizienz zur Verfügung stellen. Die gesamte Effizienz des Systems ist die kombinierte Effizienz von Modulator und Leistungsverstärker.
• Der HF-Leistungstransistor im Verstärker muss bei verschiedenen Versorgungsspannungen effizient und stabil arbeiten können. Dafür müssen neuartige Transistoren sowie Messmethoden entwickelt werden, mit denen die Transistoren im dynamischen Betrieb korrekt charakterisiert werden können.
• Der HF-Verstärker muss so optimiert werden, dass er für einen bestimmten Signaltyp mit Versorgungsspannungsmodulation effizient arbeitet. HF- und NF-Stabilität sind dabei wichtige Faktoren.
• Das versorgungsspannungsmodulierte System muss die Anforderungen des jeweiligen Standards einhalten, deshalb muss die Linearität mittels digitaler Vorverzerrung (digital predistortion, DPD) verbessert werden. Durch Versorgungsspannungsmodulation werden die Systeme komplexer und erfordern komplexere Modelle für eine erfolgreiche DPD.

Bei dieser Variante wird die Lastimpedanz des Leistungsverstärkers mit der Einhüllenden des Signals variiert. Der Wirkungsgrad eines Verstärkers lässt sich bei geringer Aussteuerung erhöhen, indem die Impedanz angepasst wird. Um dieses Verhalten mit hoher Leistung und der für moderne Leistungsverstärker nötigen Bandbreite zu erreichen, sind steuerbare Elemente oder Varaktoren mit hoher Leistungsverträglichkeit und guter Steuerbarkeit notwendig.

Im Projekt wurde ein 100 W System für Telekommunikationsfrequenzen mit 60 MHz Modulationsbandbreite entwickelt, das auf der GaN-HEMT-Technologie und Versorgungsspannungsmodulation basiert. Das Projekt wurde zusammen mit der Universität Stuttgart durchgeführt und durch die Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG) finanziert. Die Ergebnisse aus diesem zweijährigen Projekt sind die Basis unserer heutigen Arbeit an integrierten Lösungen für die Raumfahrt und 5G.

Das Klasse-G-Konzept mit Versorgungsspannungsmodulation in diskreten Spannungsstufen wird gerade auf integrierte Systeme für Raumfahrt und 5G umgesetzt. Mehrstufige K-Band-Verstärker werden mit Klasse-G-Schaltern auf einem Chip integriert. Verschiedene Topologien werden auch für Keulensteuerung und MIMO untersucht.    

In Reverse Buck Converter ET-Systemen arbeitet der Konverter gegen die Systemmasse und den RF-Leistungsverstärker mit einem schwebenden Offsetpotential. Solche Systeme ermöglicht eine schnellere Taktfrequenz im Modulator und dadurch eine höhere Modulationsbandbreite. Im Projekt wurde ein 80 W Envelope-Tracking-System bei 1,56 GHz entwickelt, das auf der Reverse-Buck-Topologie basiert.Verstärker und Buck Converter wurden mit der GaN-HEMT-Technologie realisiert. Das System bietet eine Modulationsbandbreite von 10 MHz. Das zwei Jahre laufende Projekt wurde von ESA - European Space Agency (ESA) als Networking/Partnering Initiative (NPI) finanziert und hat uns inspiriert, das Floating-Ground-Transistor-Konzept zu entwickeln. 

Das patentierte Floating-Ground-Transistor-Konzept wurde entwickelt, um die Modulationsbandbreite in Reverse Buck Konverter-Systemen zu erweitern. Indem HF- und DC-ZF-Masse ganz nah an der Source des Transistors getrennt werden, ist ein einfacheres Design der HF-Vorstärker mit deutlich höherer Grenzfrequenz für die Versorgungsspannungsmodulation möglich.  

Um das Design von steuerbare HF-Leistungsverstärkern zu vereinfachen, haben wir einen Transistor mit einem integrierten Varaktor im Gehäuse entwickelt. Das Konzept haben wir patentiert und erfolgreich für Frequenzagilität und VSWR-Schutz vorgestellt. Für die Lastmodulation waren die Verluste der Varaktoren jedoch zu hoch. Stattessen untersuchten wir andere integrierbare Konzepte, die auf GaN-Varaktoren und GaN-Schaltern basieren.  

Zusammen mit das Universität Darmstadt haben wir für Lastmodulation und Frequenzagilität in HF-Leistungsverstärker Dickfilm Barium-Strontium-Titanate (BST) Varaktoren entwickelt. Diese können Leistungen im 50 W Bereich aushalten, haben aber noch ziemlich hohe Verluste. 

Mit den immer höheren Übertragungsraten steigen auch die Frequenzen für die Telekommunikation. Die Zellen werden auch kleiner und die notwendige Leistung, um diese Zellen zu abdecken, werden geringer.

Es gibt jedoch mehrere Anwendungen im niedrigeren Frequenzbereich, die hohe Leistungen mit hoher Effizienz benötigen. Unter anderem handelt es sich um industrielle und medizinische Applikationen in den freien Frequenzbändern. Dafür entwickeln wir sehr effiziente Lösungen für extrem hohe Ausgangsleistung. Dabei geht es um grundlegende Fragestellungen der HF-GaN-Leistungs-Transistor-Technologie am FBH und um generelle Entwicklungen von Leistungsverstärkern im kW-Bereich. Im Fokus stehen dabei Forschungskooperationen, Masterarbeiten und die Zusammenarbeit zwischen Firmen und dem RF Power Lab in ISM-Applikationen.