High-Power Comb-Line Filter Architectures for Switched-Mode RF Power Amplifier Systems

Serebryakova, Elena GND

Die vorgelegte Arbeit behandelt die Analyse der Anforderungen, denschaltungstechnischen Entwurf, den Aufbau und die messtechnische Verifizierungvon Rekonstruktionsfiltern für Leistungsschaltverstärker im Klasse-SBetrieb, die auf Grund ihres hohen Wirkungsgrades vorzugsweise in MobilfunkbasisstationenVerwendung finden sollen. Die Brauchbarkeit des Entwurfeswird an Hand einer Reihe von Applikationsbeispielen anschaulich dargestellt.Als Kernforderung einer derartigen Filterauslegung hat sich die Aufrechterhaltungder Rechteckzeitfunktion des Drain-Stromes für einen (im ”CurrentMode” arbeitenden) Schaltverstärker herausgestellt, weil sonst die damit erzielbarehohe Effizienz nicht erreicht werden kann. Darüber hinaus fließen indie Filterauslegung nicht nur die Fixierung des Filterdurchlass- und sperrbereichesein, sondern auch die Festlegung der Eingangs- und Lastimpedanz bei unterschiedlichenAnregungsmoden über einen breiten Frequenzbereich. Doppelundeinzelterminierte Filter werden theoretisch betrachtet, simuliert, getestetund gemessen.Es wurde herausgearbeitet, dass die schaltungstechnischen und geometrischenAnforderungen an einen derartigen Rekonstruktionsfilterentwurf gutdurch symmetrisch gespeiste Kammleitungsfilter erfüllt werden können. VerschiedeneFilterarchitekturen werden im Hinblick auf ihr Gleich- und Gegentaktaktimpedanzverhaltenvorgestellt, experimentell untersucht und kritischanalysiert. Soweit dem Autor bekannt ist, werden hier erstmalig Rekonstruktionsfilterfür Klasse-S Leistungsverstärker im ”Current Mode” komplett analysiert.Desweiteren wird die Funktionalität des Rekonstruktionsfilters an Handanderer Typen von Leistungsschaltverstärkern simuliert und messtechnisch untersucht.Der maximale Wirkungsgrad von 65% bei Leistungsschaltverstärkersystemenlässt sich dem erfolgreichen Filterentwurf zuschreiben.

This work has taken place in the context that a class-S power amplifiersystem with simplified transmitter architectures and increased power efficiencymakes an attractive candidate for cellular phone base transceiver station applications.The author describes the requirements for, and a number of successfulimplementations of, a reconstruction filter suitable for such an amplifier system.In a current-mode class-S power amplifier system, crucial to the maintenanceof the rectangular shape of the drain current and thus to high efficiency arenot only the tailoring of pass-band and stop-band, but also the specification ofinput impedance for different modes of excitation over a wide frequency range.Doubly and singly terminated filters are subjected to theoretical consideration,simulation, testing and measurement. The main focus of the research is on thedesign of the reconstruction filter.It is found that the electrical and geometrical constraints for the designof a reconstruction filter are well satisfied by balanced input comb-line filters.Several filter architectures are proposed, experimentally investigated, and criticallyanalysed in terms of differential and common mode impedances. Thisis the first complete analysis of reconstruction filters for current mode class-Spower amplifier systems, as far as the author knows. Switched-mode poweramplifier systems which include the proposed filters are also simulated andmeasured under different driving conditions. The maximum power efficiencyof 65% to date in the switched-mode power amplifier systems can be attributedto the successful filter design.

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Serebryakova, Elena: High-Power Comb-Line Filter Architectures for Switched-Mode RF Power Amplifier Systems. 2013.

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