Flexibler Modulator und Digitalverstärker-MMIC für den energieeffizienten Betrieb einer digitalen Sendekette im GHz-Bereich

Schaltverstärker für Mikrowellenanwendungen versprechen gegenüber analogen Verstärkern ein hohes Energieeinsparungspotential, deutlich gesteigerte Flexibilität, z.B. in Form von maximaler Frequenzagilität und Einsparungsmöglichkeiten bei Volumen und Gewicht, sowie geringere Empfindlichkeit gegenüber Bauteiltoleranzen. Bislang konnten diese Vorzüge in der Praxis jedoch nicht genutzt werden, da die vorhandenen Lösungen die für moderne Kommunikationssysteme notwendige Signalqualität nicht erreichen konnten und / oder ineffizienter als analoge Lösungen waren. Die Ergebnisse dieser Arbeit bringen hier entscheidende Vorteile. Während in einer traditionellen (analogen) Sendekette das Basisbandsignal auf die Trägerfrequenz hochgemischt wird, bevor es dem analogen Verstärker zugeführt wird, muss es in der digitalen Sendekette durch einen sogenannten Modulator in ein rein binäre Signal für den digitalen Verstärker umgewandelt werden. Von diesem Modulator hängen die Eigenschaften der gesamten digitalen Sendekette maßgeblich ab. Diese Arbeit widmet sich der gesamten digitalen Sendekette. Sie liefert signifikante Beiträge zum Modulator und zum Verstärker, lässt dabei aber auch die Anforderungen an das Ausgangsfilter nicht außer Acht. Das Hauptziel ist die Ertüchtigung des digitalen Verstärkerkonzepts für den Frequenzbereich um 1 GHz für Anforderungsprofile, wie sie z.B. für Basisstationen der modernen Mobilkommunikation nach 3GPP Standard gefordert werden. Die Sendekette ist für das Basisbandsignal vollständig transparent. Es sind keine Änderungen an der Basisbandmodulation oder den Empfängern notwendig. Der primäre Fokus liegt auf der Entwicklung eines neuartigen Modulationsverfahrens für digitale Mikrowellenleistungsverstärker. Um das Gesamtziel zu erreichen, wird in einem zweiten Kernbeitrag auch der digitale Verstärker an sich angegangen und mit einem ebenfalls neu entwickelten Verstärker-MMIC anschließend eine vollständige Sendekette aufgebaut und vermessen. Im ersten Teil der Arbeit wird auf die Funktion des Modulators für digitale Verstärker eingegangen und es werden die bestehenden Verfahren vorgestellt. Nach einer vergleichenden Analyse des Stands der Technik wird das neu entwickelte Verfahren beschrieben und charakterisiert. Es ist darauf ausgelegt, in gängiger Digitalschaltungstechnik umgesetzt zu werden. Als einziges bekanntes Verfahren bietet es die Möglichkeit, auf die jeweiligen Signalanforderungen und die Hardware angepasst zu werden. Er erreicht maximale Coding Efficiency zeitgleich mit einer die Vorgaben deutlich übertreffenden Signalqualität. Die Anforderungen an das Ausgangsfilter sind minimal und es können die unterschiedlichsten Verstärkertypen angesteuert werden. In Summe übertreffen die Eigenschaften des vorgestellten Modulators bestehende Systeme bei weitem. Zusätzlich ist eine Korrektur für vom Verstärker verursachte Verzerrungen enthalten. Eine zusätzliche DPD kann entfallen. Die Funktion und Wirkung der eingebauten Korrektur wird erläutert und anhand von realen Messwerten demonstriert. Ein weiterer Teil der Arbeit widmet sich dem Entwurf des Verstärkers auf Schaltungs- sowie Layoutebene. Der neu entwickelte Digitalverstärker wird als MMIC realisiert. Er setzt sich von bisherigen Digitalverstärkern durch seine Robustheit sowie den einfachen Betrieb mit nur wenigen Spannungsquellen bei zeitgleich hohem Wirkungsgrad ab. Es werden noch bestehende Einschränkungen herausgearbeitet und Vorschläge zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades und der allgemeinen Performance gemacht. Abschließend wird das Gesamtsystem bestehend aus Modulator und Verstärker-MMIC mit breitbandigen Signalen vermessen. Ohne dass eine zusätzliche DPD verwendet wird, werden die Ergebnisse anderer Gruppen (teils mit DPD) übertroffen. Die erzielten Ergebnisse sind weltweite Bestwerte für digitale Mikrowellenverstärker. Erstmalig werden die gesetzten Spezifikationen mit deutlicher Reserve übertroffen. Die Flexibilität des Modulators wird demonstriert, indem ein aus zwei der entwickelten Single-Ended-Verstärkermodulen zusammengesetztes Outphasing-Modul mit nur minimalen Anpassungen in der Konfiguration des Modulators betrieben und vermessen wird. Viele weitere Verstärkerarten können allein durch Konfigurationsänderungen in der Software erschlossen werden.

Author dc:creator

• Hühn, Florian

Advisors dc:contributor.advisor

• Heinrich, Wolfgang
• Wentzel, Andreas

Licence dc:rights.uri

• https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

Language dc:language.iso

de

Identifier URI

http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9706

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/10812