Hochfrequente Mehrstufen-Schaltverstärker im pulspositions- und pulsweitenmodulierten Betrieb zur effizienten Leistungsverstärkung von breitbandigen Mobilfunksignalen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Fortschritte in der Mobilfunkkommunikation führen zu einer größeren Anzahl genutzter Trägerfrequenzen, größeren Signalbandbreiten und Modulationsverfahren höherer Ordnung, was die Komplexität der Sender erhöht. Zusätzlich werden mehr verschiedene Frequenzbänder verwendet, wobei eine hohe Linearität und Effizienz gefordert wird. Als mögliches Senderkonzept bieten sich hierbei digitale Leistungsverstärker an. Im Vergleich zu konventionellen analogen Implementierungen mit Klasse-A- oder Klasse-B-Verstärkern kann eine hohe Flexibilität mit Unterstützung für mehrere Frequenzbänder erreicht werden. Des Weiteren ist es möglich, diese Leistungsverstärker monolithisch mit dem digitalen Basisband- Signalprozessor (BB-DSP) oder vollständigen digitalen Systemen zu integrieren. Im Zentrum dieses Vorhabens stand daher die Umsetzung eines Mehrstufen-Schaltverstärkers im Strommodus (engl. multi-level current mode switching mode power amplifier, ML-CM-SMPA), welcher als Ausgangsstufe für einen volldigitalen HF-Sender verwendet werden kann. Die Phaseninformation wird dabei in die Pulsposition und die Amplitude in die Pulsweite des Ausgangssignals eines hochfrequenten Pulsweiten- und Pulspositionsmodulators (engl. pulse width and position modulator, PWPM) kodiert. Die Pulsweite ist nach unten durch den kürzesten vom ML-CM-SMPA verstärkbaren Puls begrenzt, was den Dynamikbereich einschränkt. Um dennoch einen großen Dynamikbereich abzudecken, wird die Modulation der Pulsweite mittels geschalteter diskreter Stromstufen, implementiert durch einen schaltbaren Leitwert der Schalter des ML-CM-SMPA, ergänzt. In diesem Projekt konnte in einer fortgeschrittenen FD-SOI CMOS-Technologie ein Trägerfrequenzbereich von 2 GHz bis 6 GHz demonstriert werden, wobei die maximale Ausgangsleistung 22,5 dBm beträgt bei einer maximalen Drain-Effizienz und System-Effizienz von 35,7 % bzw. 33,1 %. Für ein 40 MBd 64-QAM Signal bei einer Trägerfrequenz von 3,6 GHz wird ein EVM von -30,9 dB erreicht. Im Vergleich zu anderen CMOS-Leistungsverstärkern im Schaltbetrieb, welche ähnliche Trägerfrequenzen unterstützen, wurde der höchste Trägerfrequenzbereich mit der höchsten gemessenen Signalbandbreite von 1 GHz, demonstriert mit 1 GBd QPSK-Signalen, erreicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Real-Time Processing and Delta-Sigma Modulation on FPGA for Switching Mode RF Amplifiers, 2022 14th German Microwave Conference (GeMiC), Ulm, Germany
J. Tonn, T. Veigel, M. Wittlinger, M. Grözing & M. Berroth
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Switching Mode Power Amplifier Concept Combining Pulse-Width, Pulse-Position and Conductance Modulation, 2022 Kleinheubach Conference, Miltenberg, Germany
M. Wittlinger, M. Grözing & M. Berroth
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Switching Mode Power Amplifier for Fully Digital RF Transmitter at 3.6 GHz in 22 nm FD-SOI CMOS. 2023 18th Conference on Ph.D Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), 5-8. IEEE.
Wittlinger, Manuel; Grözing, Markus & Berroth, Manfred
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A Frequency-Agile Digital-to-RF Power Amplifier in 22 nm FD-SOI CMOS Technology. 2024 19th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 74-77. IEEE.
Wittlinger, Manuel; Grözing, Markus; Berroth, Manfred & Rademacher, Georg
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Glitch-freier, jitterarmer Amplituden- und Phasenschalter für digitale RF-Pulsmodulation, Analog Workshop 2025, Berlin, Germany
Manuel Wittlinger, Jakob Finkbeiner, Raphael Nägele, Markus Grözing, Manfred Berroth & Georg Rademacher
