Dynamische Ansteuerung von Hochfrequenzleistungsverstärkern mit breitbandiger, aktiver Lastmodulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem DynaDrive Projekt wurden Ansätze für eine schnelle und effiziente Ansteuerung und Vorverzerrung eines Dual Input DPAs erforscht. In diesem Zusammenhang konnten weitreichende Erkenntnisse über das Verhalten des Verstärkers erarbeitet werden. Hierfür wurde ein aufwendiger Messplatz aufgebaut um Ansteuerung und Vorverzerrung von Dual Input DPAs am realen Aufbau zu testen und weiterzuentwickeln. Darüber hinaus wurden die weichen für die Integration der Ansteuerung in die Linearisierungsstrukturen der Signalverarbeitung und eine dynamische Ansteuerung der Verstärkerkerne gestellt. Aufgrund dessen, dass zu Projektstart zwei voll funktionsfähige Dual Input DPAs zur Verfügung standen, war es angebracht in einem ersten Schritt einen entsprechenden Messplatz aufzubauen. Dieser wurde durch eine proprietäre Signalerzeugungs- und Erfassungsplattform mit einer Bandbreite von über 400 MHz realisiert und durch entsprechende Vorverstärker erweitert. Hierbei wurden Signal vor und nach den Vorverstärkern und nach dem Dual Input DPA mit Hilfe von Richtkoppler ausgekoppelt um den vollständigen Aufbau so zu kalibrieren, sodass ausschließlich die Ergebnisse des Dual Input DPAs gemessen werden konnte. Zudem wurde dadurch die Kontrolle und mögliche Nachregelung der Signalparameter währen der laufenden Messung ermöglicht. In folge dessen wurde ein erster, einfacher Algorithmus zur Identifikation von Steuerfunktionen auf Basis von CW-Signalen entwickelt werden. Bei diesem wird zunächst der Main-Verstärker bis zu einem bestimmten Kompressionskriterium charakterisiert um den Einschaltpunkt des Peak-Verstärkers zu identifizieren. Auf Basis dieses Einschaltpunkts wurde die relative Phase zwischen Main- und Peak-Eingangssignal um 360 Grad bei geringer Peak-Eingangsleistung gedreht um die optimale relative Phase maximaler Effizienz zu identifizieren. An dieser Stelle konnten verschiedene Effekte identifiziert werden, die auch durch die theoretischen Grundlagen bestätigt werden. Daraufhin wurde die Eingangsleistung des Main- und Peak-Verstärkers erhöht und die optimale relative Phase erneut bestimmt, bis die Maximalleistung erreicht werden konnte. Dieser Algorithmus wurde im Laufe des Projekts, durch Reduktion der Stützpunkte, Realisierung des quasi-outphasing Übergangs und weitere Funktionen, stetig weiterentwickelt. Neben der sehr guten Effizienzwerte die durch die Steuerfunktionen erreicht werden konnten, ergab sich ein relativ gutmütiges Verhalten des Verstärkers gegenüber Veränderungen an der Steuerfunktion. So konnten relativ schnell und effizient Steuerfunktionen identifiziert werden, die sehr gute Effizienzwerte aufweise jedoch von Seitens der Kompression der einzelnen Verstärkerkerne kaum Probleme aufweisen. Eine weitere Optimierung bzgl. Effizienz mit einer Kontrolle der Kompression der einzelnen Kerne schien daher nicht zielführend und der Fokus des Projekts wurde in Richtung einer praktischen Implementierung der Signalverarbeitung bzw. Vorverzerrung verschoben. Hierfür wurde ein Vorverzerrung Konzept erarbeitet, welches die klassische Vorverzerrung eines Verstärkers durch Steuerfunktion und eine Crosstalk Vorverzerrung erweitert. Durch die Erweiterung der Vorverzerrung durch ein Modell, welches den Crosstalk zwischen den Verstärkerkernen modelliert, konnte das Linearisierungsergebnis nochmals deutlich verbessert werden. Eine zusätzliche Erweiterung des Konzepts durch Vorverzerrungsmodell der Einzelkerne ist Stand aktueller Forschungen. Hierfür muss jedoch geklärt werden, in wieweit Informationen über die Verzerrung der Einzelkerne aus dem gemeinsamen Ausgangssignal extrahiert werden können. Nach der Implementierung eines effizienten Identifikationsalgorithmus und der hervorragenden Ergebnisse der Vorverzerrung war der logische nächste Schritt die vollständige Integration der statischen Steuerfunktionen in das polynomiale Vorverzerrungmodell. Hierfür wurden verschiedene Approximationen der Steuerfunktionen getestet. Auch hier zeigte sich wieder das tendenziell gutmütige Verhalten des Dual Input DPAs. In der Bandmitte musste selbst durch sehr starke Approximationen kaum Verluste in der Effizienz hingenommen werden. Ausschließlich an den Bandkanten wurde durch zu starke Approximation eine unpassende Lastmodulation erzeugt, die zum Teil zu erheblichen Effizienzverlusten führt. Dies führt jedoch erneut zur Möglichkeit unterschiedliche Lastszenarien mit unterschiedlichen Approximationen zu bedienen und damit zur dynamische Anpassung der Vorverzerrung auf verschiedene Signalstatistiken. Auf Basis dieser Grundlagen und der Theorie der sogenannten „vector-switched“ Modellen, konnte ein Konzept für die dynamische Vorverzerrung für Dual Input DPAs entwickelt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Wideband Active Load Modulation in RF Power Amplifiers, Doktorarbeit, FAU Forschungen, Reihe B, FAU University Press, 2019
C. Musolff
- A Robust Digital Predistortion Algorithm for 5G MIMO: Modeling a MIMO Scenario With Two Nonlinear MIMO Transmitters Including a Cross-Coupling Effect,"in IEEE Microwave Magazine, vol. 21, no. 7, pp. 54-62, July 2020
T. Ackermann, J. Potschka, T. Maiwald, A. Hagelauer, G. Fischer and R. Weigel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/MMM.2020.2985195)
