Wideband GaN microwave power amplifiers with class-G supply modulation
Wolff, Nikolai
The continuous and rapidly growing demand for mobile communication access led worldwide to a major increase in the number of base stations to provide the sufficient coverage and quality of service. As a consequence, mobile communication networks have become a significant contributor to the worldwide energy consumption. The necessity to save operational cost and the increased energy awareness fueled research on the efficiency optimization of base station transceivers. A close view at the transceiver shows that the RF power amplifiers in the transmitter are dominating the power consumption of today's base stations, with a share between 50% and 80%. In order to cope with the rapidly increasing access bandwidth, broadband operation with multicarrier modulation formats that provide high spectral efficiency is required. Thus, the RF power amplifier must operate energy-efficient as well as highly linear over a wide dynamic range, due to the large peak-to-average power ratio of the modulated signals. Classical RF power amplifiers cannot fulfil these requirements. Several advanced topologies for efficiency improvement of RF power amplifiers have been developed. Modulating the amplifiers supply voltage according to the variation of the envelope signal is one of the most promising concepts. This topology is investigated in this thesis, with an architecture that switches the supply voltage of the power amplifier in discrete levels with a class-G supply modulator.
The thesis addresses comprehensively all aspects of class-G supply modulation. First, the behavior of linear RF power amplifiers and those with reduced conduction angle when operated with supply modulation is analyzed theoretically. Based on the results several prototype designs were realized, to validate the theory and to gain experience on the influence of the various parameters, such as the discrete supply voltage levels, the switching thresholds, and the interface between the RF PA and the class-G supply modulator. This comprised efforts both on improving the RF power amplifiers and developing several class-G supply modulators.
The measurement system for the dynamic characterization of class-G modulated RF amplifiers and the linearization with baseband digital predistortion plays a key role in this work. Accordingly, the system setup, the dynamic range, and the bandwidth requirements for the measurements with digital predistortion are addressed and different dynamic range enhancement techniques are evaluated and implemented. Class-G supply modulated RF power amplifiers based on gallium nitride technology exhibit a strong nonlinear behavior, therefore linearization is required. For this purpose, the linearization with digital predistortion based on behavioral models is optimized for the class-G topology and a novel predistorter model is developed and analyzed.
Finally, the milestone class-G systems developed during this work are presented and discussed. This begins with the design and analysis of the first dynamically operated class-G supply-modulated RF power amplifier system that provides a modulation bandwidth up to 20 MHz. It covers the progress up to a PA module that provides an instantaneous modulation bandwidth of 120 MHz and achieves better performance than state-of-the art continuous supply modulation systems.
Der kontinuierlich und rapide steigende Bedarf an mobilem Zugang zu Kommunikationsnetzen führte weltweit zu einem deutlichen Anstieg von installierten Mobilfunk-Basisstationen, um eine flächendeckende Versorgung mit der nötigen Qualität sicherzustellen. Dies hat dazu geführt, dass die mobilen Kommunikationsnetze signifikant zum weltweiten Energieverbrauch beitragen. Die Notwendigkeit zur Einsparung von Betriebskosten und das steigende Bewusstsein im Umgang mit dem Verbrauch von Energie hat dabei Forschungen zur Effizienzsteigerung dieser Systeme in den Mittelpunkt gerückt. Bei einer Analyse des Energieverbrauchs in einer heutigen Mobilfunk-Basisstation wird schnell ersichtlich, dass der HF-Leistungsverstärker dabei den bedeutendsten Anteil beiträgt und zwischen 50% und 80% der Energie verbraucht. Durch die rasch wachsenden Datenraten werden breitbandige Mehrträger-Modulationsformate mit hoher spektraler Effizienz benötigt. Der HF Leistungsverstärker muss dadurch über einen weiten Dynamikbereich sowohl sehr linear als auch effizient arbeiten, da die modulierten Signale ein hohes Verhältnis von Spitzen- zu Mittelwertleistung haben. Klassische HF Leistungsverstärker erfüllen diese Anforderungen nur ungenügend. Aus dieser Problematik heraus wurden verschiedene Verstärkertopologien mit verbesserter power back-off Effizienz entwickelt. Ein vielversprechendes Konzept in diesem Zusammenhang ist die Modulation der Versorgungsspannung des HF Leistungsverstärkers mit der Einhüllenden des modulierten Signals. Ein Sonderfall dieser Topologie mit diskreten Versorgungsspannungsstufen (Klasse-G Modulation der Versorgungsspannung) wird in dieser Arbeit untersucht.
Die Arbeit behandelt alle Aspekte eines Klasse-G-modulierten HF-Leistungsverstärkers. Zu Beginn werden die Eigenschaften von linearen Verstärkern und solchen mit reduziertem Stromleitwinkel für den Betrieb mit variabler Versorgungsspannung theoretisch untersucht. Auf Basis dieser Voruntersuchungen werden dann Prototypen realisiert. Mit Hilfe von Messungen wird so die Validität der Theorie überprüft und der Einfluss der vielzähligen Parameter, wie z.B. die Wahl der diskreten Versorgungsspannungen, die Schwellen für das Umschalten der Versorgungsspannung und die elektrische Verbindung zwischen Klasse-G Modulator und HF Verstärker untersucht. Parallel zur Weiterentwicklung der HF Leistungsverstärker werden Klasse-G-Versorgungsspannungsmodulatoren entwickelt und an die Anforderungen angepasst.
Ein weiterer wichtiger Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Aufbau eines Messplatzes für die dynamische Charakterisierung der Klasse-G-modulierten HF-Leistungsverstärker und der Linearisierung mittels digitaler Vorverzerrung im Basisband. Des Weiteren werden der erforderliche Dynamikumfang für die Linearisierung mittels digitaler Vorverzerrung und verschiedene Konzepte zur Erhöhung des Dynamikumfangs mittels Signalverarbeitung untersucht und implementiert. Auf Galliumnitrid-Technologie basierende Klasse-G-modulierte HF-Leistungsverstärker zeigen im Betrieb ein stark nichtlineares Verhalten. Die Kompensation der Nichtlinearitäten wird mittels einer digitalen Vorverzerrung, die auf Verhaltensmodellen beruht, implementiert und ein neues für Klasse-G-Betrieb optimiertes Modell eingeführt.
Abschließend werden die Meilensteine der in dieser Arbeit entwickelten Klasse-G Systeme zusammengefasst und vorgestellt. Dies beginnt mit dem ersten rudimentären Prototyp, der den dynamischen Klasse-G Betrieb mit Signalen bis 20 MHz Modulationsbandbreite ermöglicht, und endet bei einem System mit einer Modulationsbandbreite von 120 MHz, das den aktuellen Stand der Technik der kontinuierlich versorgungsspannungsmodulierten Systeme erreicht und hinsichtlich der Bandbreite deutlich übertrifft.
