Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4493
Main Title: Bandwidth considerations of high efficiency microwave power amplifiers
Translated Title: Bandbreite-Untersuchungen an hocheffizienten Mikrowellen-Leistungsverstärkern
Author(s): Altanany, Ahmed
Advisor(s): Böck, Georg
Referee(s): Knöchel, Reinhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Verlustleistung mobiler Basisstationen wird hauptsächlich durch den Leistungsverstärker und seine Kühleinrichtungen generiert. Die kontinuierlich fortschreitende Innovation auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikationstechnik führt zu immer neuen Betriebsfrequenzen und Standards, die u.a. auch durch zunehmende CREST-Faktoren gekennzeichnet sind. Dies erfordert Leistungsverstärker mit hoher Effizienz und Bandbreite, nicht nur bei maximaler Ausgangsleistung, sondern auch bei reduzierten Leistungspegeln (Back-Off Betrieb). Dem bestmöglichen Kompromiss zwischen Linearität und Effizienz bei gleichzeitig hoher Bandbreite, kommt daher bei modernen Leistungsverstärkern eine herausragende Bedeutung zu. Sogenannte Schaltverstärker sind besonders geeignete Kandidaten zur Bewältigung dieser Herausforderungen, da ihr theoretischer Wirkungsgrad bei maximaler Ausgangsleistung gegen 100 % geht. Mikrowellen-Schaltverstärker stehen seit Jahren im Zentrum der Forschung. Allerdings gibt es bislang nur wenige Arbeiten, die einem hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig hoher Bandbreite erreichen. Die simultane Optimierung dieser beiden Performanz-Parameter ist die Zielrichtung dieser Arbeit. Limitierende Faktoren hinsichtlich Effizienz und Bandbreite werden analysiert. Einen in dieser Hinsicht besonders nachteiligen Einfluss übt die Ausgangskapazität des Transistors aus. Der GaN-HEMT Technologie ist wegen ihrer hohen Durchbruchspannung und Leistungsdichte und wegen ihres geringen Wärmewiderstandes eine vielversprechende Technologie für die Realisierung von hocheffizienten Mikrowellen-Leistungsverstärkern. Ihr Entwurf für hohe Frequenzen, Ausgangsleistungen und Bandbreiten bei gleichzeitig hoher Effizienz bleibt dennoch eine Herausforderung. Der hauptsächliche Grund dafür ist die mit zunehmender Transistorgröße und Frequenz ansteigende Ausgangskapazität, die wegen zunehmendem Kurz-schluss der harmonischen Frequenzanteile eine Optimierung der Kurvenform von Strom und Spannung im intrinsischen Transistor weitgehend verhindert. Diese Gegebenheit führt zu einer stetigen Abnahme des Wirkungsgrades mit zunehmender Betriebsfrequenz. Wegen der höheren Kapazitäten von Si-LDMOS Transistoren gegenüber GaN HEMTs, besitzen Letztere mit zunehmender Frequenz grundsätzlich Vorteile. Aufgrund dessen wird hier ausschließlich auf die GaN-HEMT Technologie zurückgegriffen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf von vier Breitband-Leistungsverstärkern für das VHF-, UHF-, L und S-Band. Die entworfenen Verstärker wurden realisiert und charakterisiert. Die Verstärker zeigen mit nahezu 88 % maximaler Drain-Effizienz im UHF-Band und 85 % im L-Band ein hervorragendes Verhalten. Die Ausgangsleistung der beiden niederfrequenten Verstärker betrug 50 W, die der hochfrequenten 10 W.
The dissipated power of mobile base stations is mainly consumed by the power amplifiers (PAs) and their cooling devices. On-going research and developments in the wireless field leads to new communication standards and operating frequencies. As a result, the bandwidth becomes an important figure in modern wireless base stations. Moreover, the new standards have high peak to average power ratios (PAPR), which require high efficiency at saturation and at back-off power levels as well. Hence, high average efficiency, linearity and bandwidth are the key parameters for the current developments and the optimum trade-off between these parameters is in the focal point of current developments. Switch-mode power amplifiers are strong candidates for highly efficient PAs because of their theoretical drain efficiency of 100 % at saturation. Investigations on highly efficient power amplifier techniques such as switch mode and harmonically tuned PAs have been the subject of research for many years. However, there have been only a small number of researches that have extended the amplifier bandwidth while keeping high the efficiency. Extending the bandwidth of highly efficient power amplifiers is the scope of this work. Several techniques are presented and limiting factors on the achievable efficiency and bandwidth are analysed. It is shown, that the output capacitor of the transistor is the main limiting factor on efficiency and gain. The GaN HEMT is a promising device technology for the SMPA. This is due to its high breakdown voltage, high power density, high cut-off frequency and low thermal resistance. However, designing high frequency and high output power switch-mode PAs for maximum efficiency remains a challenge. The reason is that the output capacitance increases with the transistor size. Hence, the influence on efficiency enhancement by proper impedance matching at harmonic frequencies drops. Nevertheless, with respect to that issue GaN HEMTS are advantageous over Si-LDMOS. This work presents four different broadband power amplifiers using GaN HEMTs working at different output power levels and different frequency bands from VHF- over UHF- to L- and S- band. The amplifiers were designed, built up and the simulations were verified by measurements. Techniques for bandwidth extension while keeping up output power level and efficiency are investigated and discussed. These amplifiers achieve outstanding results approaching 88 % of maximum drain efficiency for the PA in UHF band and 85 % of peak drain efficiency for the PA in L-Band. The output powers of the low frequency amplifiers were 50 W and for the high frequency amplifiers 10 W.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-67078
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4790
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4493
Exam Date: 10-Dec-2014
Issue Date: 22-Jun-2015
Date Available: 22-Jun-2015
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Breitband
Hohe Effizienz
Leistungsverstärker
Mikrowellentechnik
Schaltverstärker
Broadband
Harmonically tuned PA
High efficiency
Microwave
Power amplifier
Switched mode PA
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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