Differenzphasengesteuerte Hochfrequenz-Leistungsverstärker für die Anwendung in Mobilfunk Basisstationen

The continuously growing focus on reducing energy onsumption worldwide has infiltrated into the telecommunications domain in its both mobile terminals and base stations. This has led eventually to the introduction of advanced power amplifier (PA) architectures. This work investigates the suitability of outphasing PAs for use as a high efficiency solution in next generation base station applications. Besides the classical Chireix concept, several newly emerging outphasing variants are analyzed and compared. The effects of the nonlinear output capacitance are considered in detail. It is shown that harmonic isolation is vital for the Chireix PA realization using transistor devices. In addition, the power capability of the Chireix outphasing PA is discussed and a load-pull simulation technique for the complete PA is proposed. The findings are used to develop a method for designing practical Chireix PAs. A proof of concept 60 W Chireix PA prototype using state of the art GaN HEMTs is presented. Measurements with 5 MHz 1-Carrier and 20 MHz 2-Carrier W-CDMA signals of 7.5 dB PAR resulted in respectively 45% and 44% average drain efficiencies.Für Telekommunikationsausrüster Endgerätehersteller wie Infrastrukturlieferanten liegt der Schwerpunkt weltweit mehr und mehr auf einem geringen Energieverbrauch. Dieser Schwerpunkt erfordert die Einführung fortgeschrittener Leistungsverstärkerarchitekturen. Diese Arbeit untersucht die Eignung des Outphasing-Konzepts im Hinblick auf hocheffiziente Leistungsverstärker für fortschrittliche Sendestationen der drahtlosen Kommunikation. Neben dem klassischen Chireix-Verfahren werden verschiedene moderne Outphasing-Varianten untersucht und gegeneinander abgewogen. Es wird gezeigt, dass es bei Verwendung von Transistoren im Chireix-Verstärker vordringlich auf die Isolation der beiden Pfade bei den Vielfachen der Grundfrequenz ankommt. Ferner wird die Eignung von Outphasing-Verstärkern für hohe Ausgangsleistungen untersucht und ein neues Load-Pull-Simulationsverfahren zur Verstärkerentwicklung vorgeschlagen. Die Ergebnisse laufen in einem neuen Entwurfsverfahren für Chireix-Leistungsverstärker zusammen. Die Eigenschaften des Entwurfsverfahren werden herausgerabeitet und seine Eignung anhand eines 60 W Chireix-Verstärker basierend auf GaN-HEMT-Bauelementen nachgewiesen. Messungen zeigen bei 7,5 dB Spitzen- zu Mittelwertleistung einen Wirkungsgrad von 45 % bei einem 5 MHz breiten W-CDMA-Signal, und 44 % bei 2 W-CDMA-Signalen und 20 MHz Signalbandbreite