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Ultrabreitbandige Envelope-Tracking-Systeme mit Klasse-S Spannungsmodulator für 5G

Fachliche Zuordnung Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung Förderung von 2017 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390907840
 
Erstellungsjahr 2022

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.

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