Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8590
Main Title: Broadband concepts for high efficiency microwave power amplifiers using Gallium nitride technology
Translated Title: Breitbandkonzept für hocheffiziente Mikrowellen-Leistungsverstärker unter Verwendung der Galliumnitrid-Technologie
Author(s): Arnous, Mohammed Tareq
Advisor(s): Boeck, Georg
Referee(s): Boeck, Georg
Rudolph, Matthias
Barbin, Silvio E.
Zimmer, Gernot
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Power amplifier units are the most important components in mobile radio base stations (RBSs). Their performance affects the overall performance of the base station in terms of output power and efficiency. A special high interest is the combination of high efficiency and wide bandwidth. This dissertation is dedicated to this central problem. First, the design and characterization of a single-ended power amplifier (PA) with center frequency of 2.0 GHz is presented. The design methodology was based on class-E approach combined with a systematic design of broadband matching networks. Therefore, the output matching network was modified. The fabricated PA has achieved 70 % - 76 % power-added efficiency (PAE) with output power ranges between 43.5 to 45 dBm over 1.7 - 2.3 GHz. In a second design, the bandwidth was expanded to cover more than an octave while maintaining similar performance; the input-/ output matching networks were redesigned for this purpose. This ultimately has resulted in a highly efficient ultra-wideband PA with a minimum output power of 43.0 dBm and PAE ranging between 60 % - 72 % over 1.1 - 2.7 GHz. These results encourage an update of the topology and design methodology of the matching networks to further extend the bandwidth of operation. For this aim, a novel planar broadside coupled transformer is developed and used for the first time as a main part of the matching network in the designed PA. The fabricated PA, with a bandwidth of operation ranging between 0.5 - 2.7 GHz, has achieved a minimum output power of 43.0 dBm with PAE ranging between 50 % - 65 %. For RBSs with output power beyond 100 W, larger components should be used. This results in lower input-/ output impedances of the used transistors. Designing an ultra wideband PA with high efficiency is therefore an immense challenge, due to the complexity of the matching networks and the resulting high losses. This challenge was pursued with the aim of realizing a 100 W, highly efficient PA for the frequency range from 0.6 GHz to 2.7 GHz. The fabricated PA has achieved typical output power of 100 W with 45 - 65 % PAE across the desired bandwidth. Basically, it is desirable that the high efficiency of PAs at full load (saturation) is maintained as high as possible when decreasing the input power level (part load or back-off power ange). With this objective, the passive load modulation technique has been investigated to adapt the transistor load impedance depending on the output power level, so that the efficiency remains as high as possible even at back-off power range. First two prototype designs without tunable components were proposed and used as reference. In these two designs, only the output matching networks were different. The first one was optimized for full load and the second one was optimized for 6 dB back-off output power level. The full load PA delivered saturation output power of approximately 43.0 dBm with average maximum efficiency of 65 % and 6 dB OBO average efficiency of 36 % across 1.8 - 2.2 GHz. The 6 dB back-off optimized PA delivered average maximum efficiency of 50 % and 6 dB OBO average efficiecny of 52 % over the desired bandwidth. Accordingly, an improvement of the average efficiency at 6 dB back-off can reach up to 16 % appears to be possible. Based on these results and conclusion, a third prototype has been proposed using an electronic tunable output matching network. A barium strontium titanate (BST) based varactors were used as variable capacitors. However, and due to the varactor losses, the performance of the previously described designs could not be achieved.
Leistungsverstärker gehören zu den wichtigsten Komponenten in Mobilfunk-Basisstationen. Sie dominieren die elektrischen Eigenschaften der Basisstation in Bezug auf Ausgangsleistung und Wirkungsgrad. Ein besonders hohes Interesse besteht in der Verknüpfung von hohem Wirkungsgrad mit großer Bandbreite. Diese Dissertation widmet sich dieser zentralen Problemstellung. Im ersten Beispiel werden Entwurf, Aufbau und Charakterisierung eines Leistungsverstärkers mit einer Mittenfrequenz von ca. 2,0 GHz vorgestellt. Die Entwurfsmethode geht von einem Klasse-E Verstärker aus, mit der Zielstellung, eine höhere Bandbreite zu realisieren. Dazu wurde das Ausgangs-Anpassungsnetzwerk gezielt modifiziert. An dem aufgebauten Verstärker wurden über den Frequenzbereich 1,7- bis 2,3 GHz Ausgangsleistungen zwischen 43,5- und 45 dBm gemessen, mit Wirkungsgraden von 70- bis 76 %. In einem erweiterten Entwurf sollte die Bandbreite auf mehr als eine Oktave erhöht werden - nach Möglichkeit bei sonst unveränderter Performanz. Dafür wurden Ein- uns Ausgangs- Anpassungs-Netzwerke neu entworfen. An dem Verstärker wurde dann im Frequenzbereich 1,1- 2,7 GHz eine Ausgangsleistung von mehr als 43 dBm gemessen, mit einem Wirkungsgrad zwischen 60- und 72 %. Die vielversprechenden Ergebnisse dieses Entwurfs waren die Hauptmotivation für den Versuch, die Verstärkerbandbreite weiter zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurde für das Ausgangs- Anpassungsnetzwerk ein neuartiger, planarer Leitungstransformator entwickelt. Der aufgebaute Verstärker erreichte damit im Frequenzbereich 0,5- bis 2,7 GHz eine Ausgangsleistung von mindestens 43 dBm mit Wirkungsgraden zwischen 50- und 65 %. Für Basisstationen mit Ausgangsleistungen jenseits von 100 W müssen für die Endstufen größere Bauelemente verwendet werden, was niederohmigere Ein-/ Ausgangsimpedanzen der verwendeten Transistoren zur Folge hat. Die Erzielung hoher Bandbreiten bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad stellt deshalb eine immense Herausforderung dar, da auch die Verluste und Komplexität der Anpassungs-Netzwerke ansteigen. Dieser Fragestellung wurde mit dem Ziel nachgegangen, für den Frequenzbereich 0,6- bis 2,7 GHz einen Verstärker mit mindestens 100 W Ausgangsleistung und möglichst hohem Wirkungsgrad zu realisieren. Die Messungen am aufgebauten Prototyp bestätigten für den genannten Frequenzbereich typische Ausgangsleistungen von 100 W mit Wirkungsgraden zwischen etwa 45- und 65 %. Grundsätzlich ist es wünschenswert, dass sich der im Allgemeinen hohe Wirkungsgrad von Verstärkern im Vollastbereich mit abnehmender Eingangsleistung (Teillastbereich oder Back-Off) so wenig wie möglich verringert. Mit dieser Zielstellung wurde die passive Lastmodulationstechnik untersucht, um die Transistor- Lastimpedanzen leistungsabhängig derart nachzuführen, dass der Wirkungsgrad auch im Teillast-Bereich möglichst hoch bleibt. Die ersten beiden Entwürfe wurden als Referenz herangezogen. Hier wurden zwei unterschiedliche, ansonsten aber nicht abstimmbare Ausgangs-Anpassungsnetzwerke eingesetzt, die zum einen für den Vollast- und zum anderen für den Back-Off-Bereich optimiert wurden. Der für Volllast ausgelegte Referenzverstärker lieferte im Frequenzbereich 1,8- bis 2,2 GHz eine Sättigungs-Ausgangsleistung von etwa 43,0 dBm und Volllast-/Teillast- Wirkungsgrade von etwa 65 und 36 %. Der für 6 dB Back-Off optimierte Verstärker lieferte Volllast-/Teillast- Wirkungsgrade von etwa 50 und 52 %. Die Wirkungsgradverbesserung im Teillastbereich erreichte damit bis zu 16 %. In einem weiteren Entwurf wurde ein elektronisch abstimmbares Ausgangs-Anpassungsnetzwerk realisiert, unter Verwendung von Barium-Strontium-Titanat- (BST) basierten Varaktoren als variable Kondensatoren. Hauptsächlich wegen der Varaktorverluste konnte bei diesem Verstärker die Performanz der vorher beschriebenen Entwürfe nicht erreicht werden.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9537
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8590
Exam Date: 10-Jul-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 5-Aug-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Barium Strontium Titanate
efficiency enhancement
GaN-HEMT
highly efficient power amplifier
microwave engineering
power amplifiers
load modulation
wideband power amplifier
Bandbreite
Lastmodulationstechnik
Leistungsverstärker
Mikrowellentechnik
Wirkungsgrad
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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