Smart-RF (R&S Teilvorhaben)

Zielsetzung

Im Rahmen des von Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG beantragten Teilvorhabens sollen Anforderungen und Konzepte erarbeitet werden, die zur Entwicklung von breitbandigen Senderarchitekturen mit optimiertem Wirkungsgrad und Linearität für den Einsatz in der professionellen Funktechnik benötigt werden.

Auf Basis der erarbeiteten Anforderungen werden Verstärkerarchitekturen untersucht und auf Eignung für den Einsatz in professionellen Funksystemen überprüft. Die Untersuchungen der Verstärkerarchitekturen beschränken sich nicht nur auf den reinen Verstärkerblock, sondern erstrecken sich auch auf zugehörige Komponenten wie Anpassnetzwerke und Oberwellenfilter, die einen wesentlichen Teil zur Energiebilanz eines Senders beitragen.

Es sollen ausgewählte Komponenten anschließend als Prototypen aufgebaut und in einem Gesamtsystem integriert werden. Dieses Gesamtsystem beinhaltet u. a. die Fähigkeit den Senderblock hinsichtlich Nichtlinearitäten zu vermessen und zu modellieren um anschließend eine Linearisierung durch Verwendung von vorverzerrten Steuersignalen zu erreichen.

Im Vordergrund der Arbeiten stehen nicht nur rein technische Eigenschaften wie zum Beispiel lineare Verstärker mit hohen Wirkungsgraden oder geringe Verluste der Oberwellenfilter, sondern auch die Möglichkeiten zur kostenoptimierten Herstellung. Die kostenoptimierte Herstellbarkeit ist eine Kernforderung aus dem Projekt, um den späteren Einsatz in Serienprodukten zu ermöglichen. Damit ist sicher gestellt, dass die Studienergebnisse direkt in Produkte der deutschen Industrie einfließen.

Ergebnisse aus dem Rohde & Schwarz Teilvorhaben

Nachfolgend werden exemplarisch einige Ergebnisse aus dem Teilvorhaben der Firma Rohde & Schwarz vorgestellt.

Anforderungen an Verstärker in professionellen Funksystemen

Die Anforderungen, die für den Betrieb eines Senders in seiner spezifischen Betriebsumgebung gelten, sind wesentlich, wenn es um die Eignung von Konzepten für Senderarchitekturen geht. Sie unterscheiden sich zum Teil erheblich von den Anwendungen im Mobilfunk sowie bei Rundfunk- und Fernsehsendern.

Obwohl die verwendeten Modulationsarten und Bandbreiten denen im Mobilfunk und Fernsehaussendungen gleichen (DVB-T/H, GSM, LTE), ergeben sich im Einsatz wesentliche Unterschiede. So sind beispielsweise die Bänder nicht exklusiv den jeweiligen Verfahren zugeordnet. Mehrere Funklinien können im FDD-Betrieb auf einer Plattform mit geringen Antennenabständen und auf benachbarten Frequenzen betrieben werden. Zudem ist der Frequenzbereich für die Anwendungen wesentlich breiter im Vergleich zu den Mobilfunkanwendungen und kann mehr als 4 Oktaven betragen. Frequenzagile Übertragungen erlauben keine festen Filter am Senderausgang, um unerwünschte Nebenaussendungen zu unterdrücken.

Die nachfolgende Tabelle zeigt einige wenige typische, aber entscheidende Kennwerte, die zum Beispiel für den Einsatz von Geräten auf mobilen Plattformen gelten.

Auswirkung der Anforderungen auf Senderarchitekturen

Die zuvor dargestellten Werte stellen extrem harte Anforderungen für den Betrieb von Funkgeräten dar und haben wesentlichen Einfluss darauf, ob bestimmte Architekturen überhaupt zum Einsatz kommen können.

Einige der in der einschlägigen Literatur genannten Verstärkerarchitekturen mit sehr hohen möglichen Wirkungsgraden könnten unter diesen Rahmenbedingungen überhaupt nur dann betrieben werden, wenn zusätzliche Schaltungsmaßnahmen vorgehalten werden. Diese Erweiterungen des ursprünglichen Schaltungskonzeptes bringen jedoch signifikante Verluste ins System ein und reduzieren den Gesamtwirkungsgrad erheblich. Dies führt dazu, dass Architekturen, die auf den ersten Blick sehr attraktiv bezüglich des Wirkungsgrades sind, unter dem Strich keinerlei praktische Vorteile mehr versprechen und darüber hinaus manche sogar gänzlich ungeeignet sind.

In diesem Zusammenhang haben unter anderem die Untersuchungen an Architekturen nach dem Prinzip „Doherty“ ergeben, dass die große relative Bandbreite nur sehr schwer abdeckbar wäre. Ein Doherty Verstärker benötigt zum Beispiel eine präzise phasenrichtige Impedanz-transformation und Leistungsaddierung zwischen zwei gekoppelten Verstärkerhälften, damit ein optimierter Wirkungsgrad erzielt werden kann. Da der gesamte Verstärker sehr breitbandig arbeiten soll und zudem die Frequenz sehr schnell umschaltbar sein muss, können die benötigten Schaltungsnetzwerke nicht ausreichend verlustarm aufgebaut werden und verschlechtern den Gesamtwirkungsgrad erheblich. Zudem sind die notwendigen Schaltungsnetzwerke empfindlich gegenüber Fehlanpassungen an der Antenne. Der Vorteil der Doherty Architektur ist im zuvor dargestellten Umfeld letztlich nicht mehr gegeben. Dies ist in Mobilfunkanwendungen durchaus anders.

Ähnlich verhält es sich mit sogenannten Schaltverstärkern hinsichtlich der Betriebsbandbreite. Schaltverstärker benötigen am Ausgang geeignete Strukturen, die eine bestimmte Anpassung zur Einhaltung der Phasen- und Amplitudenbedingungen des Schaltbetriebs sicher stellen müssen. Da diese Bedingungen zumindest in einem Bereich von etwa einer Oktave ausreichend gut erzielt werden können, wurde im Rahmen des Teilvorhabens ein Schaltverstärker im Frequenzbereich von 225 – 400MHz genauer untersucht und auch als Prototyp aufgebaut.

Generell konnte klar ermittelt werden, dass auch sogenannte klassische Architekturen wie ein AB-Verstärker hinsichtlich ihres Wirkungsgrades deutlich gesteigert werden können, wenn die Verluste im System minimiert und die Betriebsbedingungen für den Transistor optimiert werden.

Wirkungsgradoptimierte Verstärkerarchitekturen

Im Rahmen des Teilvorhabens wurde ein Schaltverstärker aufgebaut, der mit einem Frequenzbereich von 225 – 400MHz fast eine Oktave abdecken kann. Als aktives Element wurde ein Gallium Nitride (GaN) Transistor verwendet.

Die nachfolgende Abbildung zeigt den Prototypen dieses Schaltverstärkers.

Abbildung 1: Breitbandiger Schaltverstärker mit GaN Transistor

Die Verwendung eines GaN Transistors erweist sich unter anderem wegen folgender Gründe als vorteilhaft:

• sehr robuste Technologie, daher sehr gut für harte Betriebsbedingungen geeignet
• relativ hohe Impedanzen des Transistors selbst, daher vergleichsweise gut breitbandig anpassbar
• Hohe Versorgungsspannung, daher kann die Versorgungsspannung über weite Bereiche den Betriebsbedingungen, z.B. VSWR, angepasst werden.

Der aufgebaute Verstärker kann eine Leistung von circa 40Watt abgeben und liefert im Frequenzbereich von 225 – 400MHz einen ebenen Frequenzgang. Er kann, abhängig von den verwendeten Modulationsarten, vom klassischen A/B Betrieb bis hin zum Schaltversärker betrieben werden.

Verlustarme und kostengünstige Oberwellenfilter

Eine wesentliche Komponente in einer Senderarchitektur für professionelle Funkanwendungen stellt das Oberwellenfilter dar. Es muss zum einen eine hohe Unterdrückung von Harmonischen des Sendesignals sicherstellen, darf aber zum anderen keine signifikanten Verluste haben. Verluste wirken sich nicht nur dadurch aus, dass die im Filter verbleibende Energie zu einer Überwärmung führt. Verluste zwingen auch zur Erzeugung einer entsprechend höheren Leistung an der Transistorstufe, damit an der Antenne die spezifizierte Leistung zur Verfügung steht. Verluste von z.B. nur 0,5dB im Oberwellenfilter sind gleichbedeutend mit einem Rückgang der Energieeffizienz von 10%. Man kann daran schon erkennen, dass zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades eines Senders alle möglichen Verlustquellen optimiert werden müssen.

Das nachfolgende Bild zeigt die Prototypen eines Oberwellenfilters, das einen Frequenzbereich von vier Oktaven abdeckt, zwischen den Stadien als Versuchsaufbau bis hin zum seriennahen Prototypen.

Abbildung 2: Optimierte Oberwellenfilter

Die einzelnen Oberwellenfilter wurden bezüglich ihrer Frequenzbereiche so gestaffelt, dass ein optimaler Kompromiss aus Flankensteilheit und Anzahl von Einzelfiltern erreicht war. Dadurch wurde es möglich, Standardspulen zu verwenden und einen aufwändigen Abgleich nahezu zu vermeiden. Die Filter sind trotz ihrer kleinen Abmessungen für den Betrieb mit 50Watt Ausgangsleistung und einem gleichzeitigen VSWR von 3:1 geeignet. Durch Messungen im Infrarotbereich mittels einer Thermografiekamera konnte die Belastbarkeit nachgewiesen werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt eines der Filter unter voller Belastung bei einer Umgebungstemperatur von +55°C.

Abbildung 3: Oberwellenfilter im Extremtest

Realisierung eines breitbandigen Verstärkerblocks

Die Ergebnisse aus den Voruntersuchungen bezüglich gleichzeitiger Steigerung von Linearität und Wirkungsgrad sowie der Optimierung von Anpassnetzwerken und Oberwellenfilter flossen in die Arbeiten zur Entwicklung eines breitbandigen Leistungsverstärkers ein. Ein Prototyp eines solchen Verstärkers mit einer Ausgangsleistung von 50W deckt den Frequenzbereich von 30 – 512MHz ab und ist nachfolgend im Demonstratorgehäuse mit Stromversorgung dargestellt.

Abbildung 4: Breitbandiger Verstärkerblock mit optimierter Linearität

Da der Verstärker in Funksystemen betrieben werden soll, in denen nur sehr kleine Antennenentkopplungen zu anderen Funkdiensten bestehen, muss dieser zur Vermeidung von Störungen ein extrem rauscharmes Sendesignal liefern können. Um dies zu erreichen wurden zusätzlich sehr schnell abstimmbare Bandpassfilter realisiert, die als Mitlauffilter im Signalzug wirken. Nachfolgend ist eine solche Filterbaugruppe abgebildet.

Abbildung 5: Bandpassfilter zur Verbesserung des Rauschabstandes

Sowohl beim Verstärker als auch bei den Filtern wurde auf kostengünstige Fertigung geachtet. Wo möglich, wurden planare, gedruckte Strukturen verwendet sowie auf automatischen Abgleich optimiert.

Linearisierung des Sendeverstärkers

Der realisierte Verstärker kann bereits ohne zusätzliche Linearisierungsmaßnahmen für Funkverfahren mit hohen Ansprüchen an die Linearität verwendet werden. Es wird dabei ein typisches sogenanntes EVM (Error Vector Magnitude) von kleiner 2% erreicht. Diese Grundlinearität ist ausreichend, um die spektralen Anforderungen für den Gleichzeitigkeitsbetrieb von heute verwendeten Funkstandards in Funkgeräten für professionelle Funksysteme zu erfüllen.

Für zukünftige Anwendungen, die höhere Vorgaben hinsichtlich der spektralen Maske und EVM haben, kann durch eine digitale Vorverzerrung der Ansteuerleistung noch eine weitere Verbesserung erzielt werden. Die Algorithmen dazu wurden u.a. vom HHI im Rahmen deren Teilvorhabens realisiert und mit dem Verstärker getestet. Bezüglich dieser Vorverzerrung sei auf das Teilvorhaben vom HHI verwiesen.