Smart-RF (TUB-MWT Teilvorhaben)

Zielsetzung

Das Fachgebiet Mikrowellentechnik der TU Berlin beschäftigte sich im Rahmen des Teilvorhabens mit dem Entwurf, der praktischen Realisierung und der Charakterisierung von Hochfrequenz- und Mikrowellen-Leistungsverstärkern. Dazu gehörten auch die messtechnische Charakterisierung und Modellbildung von Leistungsbauelementen. Spezielle Zielrichtungen im Rahmen des Vorhabens waren Untersuchungen von Verstärkerarchitekturen und Topologien mit Hinblick auf die Verbesserung der Effizienz – insbesondere auch im Back-Off-Bereich. Die Breit- und Multibandfähigkeit derartiger Verstärker wurde im Rahmen des Vorhabens ebenfalls analysiert.

Charakterisierung von HF-Leistungstransistoren

Zur Charakterisierung von HF-Transistoren wurde der in der nachfolgenden Abbildung dargestellte Load/Source-Pull-Messplatz aufgebaut.

Abbildung 1: Load/Source-Pull-Messplatz mit automatischen, mechanischen Impedanz-Tunern

Der Messplatz beinhaltet zwei automatische, passive Impedanz-Tuner und bietet folgende Besonderheiten:

• On-Wafer-Charakterisierung von Chip-Transistoren sowie Charakterisierung gehäuster Transistoren in einem Test-Fixture
• Frequenzbereich: 0.8 – 8 GHz
• Reflexionsfaktoren bis maximal in den Bereich von VSWR = 15:1
• Maximale Leistung ~120 W

Load/Source-Pull-Messbeispiel

Die nachfolgende Abbildung zeigt die Messergebnisse für einen LDMOS-Chip-Transistor mit einer gesamten Gate-Weite von W=1.8 mm. Links sind die ermittelten Optimal-Impedanzen für maximale Ausgangsleistung von 2.66 GHz bis 5.8 GHz dargestellt. Auf der rechten Seite ist die entsprechende Groß-Signal-Performance abgebildet.

Abbildung 2: Load/Source-Pull-Charakterisierung eines 1.8 mm LDMOS-Transistors

Zur Verifizierung der in der Load/Source-Pull-Analyse aufgenommenen Groß-Signal-Charakteristik wurden einfache Klasse-AB-Verstärkerstrukturen aufgebaut und mit den Messungen verglichen. Abbildung 3 zeigt einen einfachen 5.8-GHz-Klasse-AB-Leistungsverstärker unter Verwendung des oben untersuchten LDMOS-FETs sowie die PA-Performance im Vergleich zu den Load/Source-Pull-Messungen des Transistors. Die gute Übereinstimmung von Verstärker-Performance und Load-Pull-Messungen bestätigt die Genauigkeit des Messplatzes. Die minimal schlechteren Werte des Leistungsverstärkers sind auf die eingefügten Anpassnetzwerke an Ein- und Ausgang des Verstärkers zurückzuführen.

Abbildung 3: Hybrider 5.8-GHz-Leistungsverstärker zur Verifizierung Load/Source-Pull-Messungen

Doherty-Verstärker

Schmalbandiger 50-Watt-GaN-Doherty PA für LTE Anwendungen

Hinsichtlich digital modulierter Signale bieten Doherty-Leistungsverstärker die Möglichkeit, einen hohen Wirkungsgrad auch im Back-Off Betrieb bei gleichzeitig guten Linearitätswerten zur Verfügung zu stellen. Für LTE-Anwendungen bei 2.5 GHz wurde ein GaN-HEMT-Doherty-Verstärker mit einem großen Peak-to-Average-Ratio von bis zu 12 dB entworfen. Der entworfene Verstärker bietet eine maximale Ausgangsleistung von 47 dBm (50 W) mit einem Wirkungsgrad von η=54 %. Bis zu einem Back-Off von 6 dB von der maximalen Ausgangsleistung bleibt der Wirkungsgrad nahezu konstant bei η=54 %, wie in der folgenden Abbildung 4 dargestellt ist. Nach der Linearisierung in einem Predistortion-System erfüllt der Verstärker die Linearitätsanforderungen des LTE-Standards mit einem ACLR von -46 dBc, gemessen bei einer mittleren Effizienz von η=46 % und einer mittleren Ausgangsleistung von P_out,avg = 40 dBm.

Abbildung 4: 50-Watt-GaN-Doherty PA für LTE Anwendungen bei 2.5 GHz; Messwerte (Symbole) und Simulation (Linie)

Breitbandiger 20-Watt-GaN-Doherty PA für Multi-Standard Basisstationen

Um die Effizienz und Kostenaspekte von Basisstationen zu verbessern, sind Multiband- bzw. Breitband-Realisierungen von Doherty-Verstärkern untersucht worden. Aus diesem Grund wurde ein GaN-HEMT-Doherty-Leistungsverstärker für solche Anwendungen implementiert (Abb. 5). Der Verstärker bietet eine maximale Ausgangsleistung im Bereich von 43.0–44.9 dBm (20–31 W) im Frequenzbereich von 1.7–2.25 GHz. Der entsprechende Wirkungsgrad bei 5–6 dB Back-Off liegt im Bereich von 45 % < η < 57 %. Vor der Linearisierung des Verstärkers wurden im UMTS-Downlink-Band (2.11 – 2.17 GHz, Single-Carrier W-CDMA-Signal, 5 MHz Bandbreite, PAR=6 dB) ACLR-Werte von mindestens -35 dBc bei P_out,avg=37.0 dBm erreicht.

Abbildung 5: Hybrider 20-Watt-GaN-Doherty PA für Multi-Standard Basisstationen von 1.7–2.25 GHz; Messergebnisse

Breitbandige, harmonisch getunte Leistungsverstärker

Hoch-effizienter 10-Watt-GaN-Leistungsverstärker

Die Effizienz im Sättigungsbereich lässt sich mit dem richtigen Abschluss der harmonischen Frequenzanteile verbessern. Der richtige Abschluss dieser Anteile über einen Frequenzbereich von 1.5-2.75 GHz wurden analysiert und entsprechende Anpassnetzwerke für einen 10-Watt-GaN-HEMT entworfen. Neben der Verbesserung des Wirkungsgrades spielten dabei auch Linearitätsaspekte eine wichtige Rolle. Die nachfolgende Abbildung 6 zeigt den aufgebauten Verstärker sowie die gemessene Groß-Signal-Performance für 1-dB / 3-dB-Gain-Compression. Für ein Kompression von 3 dB konnte im Frequenzbereich von 1.5-2.75 GHz ein sehr guter Wirkungsgrad von η=71-84 % bzw. PAE= 58.5-78.0 % erreicht werden. Die entsprechende Ausgangsleistung beträgt 40 dBm±1.5 dB.

Abbildung 6: Hoch-effizienter 10-Watt-GaN-Leistungsverstärker für einen Frequenzbereich von 1.5-2.75 GHz

Hoch-effizienter 100-Watt-GaN-Leistungsverstärker

Analog zum vorherigen Verstärker ist ein harmonisch getunter Verstärker für 1.55-2.25 GHz mit einer Ausgangsleistung von 100 W entworfen worden. Über diese Bandbreite konnte ein Wirkungsgrad von 61-79 % gemessen werden, wie die nachfolgenden Abbildungen zeigen.

Abbildung 7: Hoch-effizienter 100-Watt-GaN-Leistungsverstärker für einen Frequenzbereich von 1.55-2.25 GHz

Wichtigste Publikationen im Rahmen von Smart-RF

• K. Bathich, A. Z. Markos, and G. Boeck, “Frequency response analysis and bandwidth extension of the Doherty amplifier,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 59, (to appear in 2011)
• D. Gruner, R. Sorge, O. Bengtsson, A. Al Tanany, and G. Boeck, “Analysis, design and evaluation of LDMOS FETs for RF power applications up to 6 GHz,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 58, no. 12, Dec. 2010, pp. 4022-4030
• D. Gruner, R. Sorge, O. Bengtsson, and G. Boeck, “CMOS compatible medium voltage LDMOS transistors for wireless applications up to 5.8 GHz,” Proceedings of the 5th European Microwave Integrated Circuits Conference 2010, Paris, France, Sep. 2010, pp. 146-149
• K. Bathich, A. Z. Markos, and G. Boeck, “A wideband GaN Doherty amplifier with 35% fractional bandwidth,” Proceedings of the 40th European Microwave Conference 2010, Paris, France, Sep. 2010, pp. 1006-1009
• A. Z. Markos, K. Bathich, F. Gölden and G. Boeck, “A 50 W unsymmetrical GaN Doherty amplifier for LTE applications,” Proceedings of the 40th European Microwave Conference 2010, Paris, France, Sep. 2010, pp. 994-997
• A. Al Tanany, D. Gruner, A. Sayed, and G. Boeck, “Highly efficient harmonically tuned broadband GaN power amplifier,” Proceedings of the 5th European Microwave Integrated Circuits Conference 2010, Paris, France, Sep. 2010, pp. 5-8
• A. Sayed, A. Al Tanany, A. Z. Markos, F. Goelden, and G. Boeck, “Base station power amplifier concepts for future wireless communication standards,” Proceedings of the SDR Wireless Innovation Forum, Mainz, Germany, Jun. 2010, pp. 84-87
• D. Gruner, R. Sorge, O. Bengtsson, A. Z. Markos, and G. Boeck, “A 1 W Si-LDMOS power amplifier with 40% drain efficiency,” Proceedings of the IEEE MTT-S International Microwave Symposium 2010, Anaheim, CA, USA, May 2010, pp. 517-250
• A. Z. Markos, K. Bathich, and G. Boeck, “Design of high efficiency unsymmetrical GaN Doherty amplifiers,” Proceedings of the 11th annual IEEE Wireless and Microwave Technology Conference WAMICON 2010, Florida, USA, April 2010 (invited paper)
• A. Sayed, A. Al Tanany, and G. Boeck, “5W, 0.35 – 8 GHz linear power amplifier using GaN HEMT,” Proceedings of the European Microwave Conference 2009 in Rome, Italy, Horizon House, London, Sep. 2009, pp. 488-491
• G. Boeck, C. Meliani, and A. Al Tanany, “High efficiency broadband/multiband PAs for next generation transmitters,” Workshop WWA, presented at the IEEEIMS2009 Symposium, Boston, USA, Jun. 2009
• A. Al Tanany, A. Sayed, and G. Boeck, “Broadband GaN switch mode class E power amplifier for UHF applications,” Proceedings of the IEEE IMS2009 Symposium, Boston, USA, Jun. 2009, pp. 761-764
• K. Bathich, V. Subramanian, A. Sayed, and G. Boeck, “A 2 GHz, 85W uneven GaN Doherty power amplifier,” Proceedings of the Asia-Pacific Microwave Conference (APMC2008), Hong Kong, Dec. 2008, pp. C3-08
• D. Gruner, H. Gustat, and G. Boeck, “Fully integrated 5.8 GHz SiGe power amplifier,” Proceedings of the 38th European Microwave Conference (EuMC) in Amsterdam, London, Oct. 2008, pp. 301-304
• A. Al Tanany, A. Sayed, and G. Boeck, “A 2.14 GHz 50 W 60 % power added efficiency GaN current mode class D power amplifier,” Proceedings of the 38thEuropean Microwave Conference (EuMC) in Amsterdam, London, Oct. 2008, pp. 432-435

Alle Veröffentlichungen sind zu finden unter: www.mwt.tu-berlin.de