Einsatz von geeigneten Verfahren der Pulslängenmodulation zur Ansteuerung von Hochfrequenz-Schaltverstärkern

Hartmann, Christian GND

Die Energieeffizienz von HF-Leistungsverstärken ist mit der sehr dynamischen Entwicklung des Mobilfunks in den letzten Jahren verstärkt in den Brennpunkt des Interesses gerückt, da sie maßgeblichen Einfluss auf die mögliche Betriebsdauer von mobilen Endgeräten hat und sich auch signifikant auf die Betriebskosten des Mobilfunknetzes selbst auswirkt. Hieraus leitet sich die Motivation zum Einsatz von HF-Schaltverstärkern ab, die einen Betrieb mit deutlich verbessertem Wirkungsgrad versprechen. Zur Ansteuerung einer derartigen HF-Schaltverstärkerstufe ist aber eine Aufbereitung des HF-Nutzsignals mit Hilfe einer entsprechenden Modulatorschaltung notwendig. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden am Beispiel der konventionellen Pulslängenmodulation, sowie der Bandpass-Pulslängenmodulation Verfahren zur Ansteuerung von Schaltverstärkern untersucht, die sich zur effizienten Leistungsverstärkung von Hochfrequenzsignalen mit variabler Einhüllenden eignen. Es wurden zunächst mit Hilfe theoretischer Überlegungen und Simulationen die für den Einsatz in Schaltverstärkern maßgeblichen Eigenschaften der beiden Modulationsverfahren bestimmt. Von besonderem Interesse war hierbei die Untersuchung der mit dem jeweiligen Modulationsverfahren erreichbaren Kodiereffizienz, welche die dem Ausgangssignalspektrum des Modulators entnehmbare Nutzsignalleistung bzw. -amplitude beschreibt und für den erzielbaren Wirkungsgrad eines Schaltverstärkers von großer Bedeutung ist. Hierbei sind HF-Nutzsignale im Frequenzbereich von 450 MHz bis 3 GHz betrachtet worden, wie sie insbesondere für Anwendungen in der Mobilkommunikation von Interesse sind. Beim untersuchten Verfahren der Bandpass-Pulslängenmodulation lag das Augenmerk insbesondere auf einer neuartigen Schaltungsanordnung des Modulators, die eine lineare Übertragung der Hüllkurveninformation des HF-Nutzsignals ermöglicht. Im Vergleich zur konventionellen Pulslängenmodulation zeichnet sich die Bandpass-Pulslängenmodulation durch eine besonders hohe Kodiereffizienz aus, weshalb sie sich für die Ansteuerung von Schaltverstärkern als vorteilhaft erweist. Anhand von praktischen Implementierungen in Form von integrierten Modulatorschaltungen in einer 250 nm-SiGe-Halbleitertechnologie konnten die wichtigsten Eigenschaften der Modulationsverfahren messtechnisch verifiziert und die Tauglichkeit der beiden untersuchten Verfahren für den praktischen Einsatz nachgewiesen werden.

The energy efficiency of RF power amplifiers has moved into the spotlight of interest with the very dynamical development of mobile communication systems in recent years, since it affects the possible operating time of mobile devices and also has significant influence on the operating costs of the mobile network itself. From this the motivation for the application of RF switch mode power amplifiers is derived, which promise to operate with significantly improved efficiency. To control such a RF switch mode amplifier stage, a conditioning of the RF input signal by means of a corresponding modulator circuit is necessary. In the present work, with the examples of the conventional pulse length modulation and bandpass pulse length modulation, techniques for the control of switch mode amplifiers have been investigated which are suitable for efficient power amplification of high-frequency signals with variable envelope. Initially, by means of theoretical considerations and simulations the relevant characteristics of the two modulation techniques for the application in switch mode amplifiers were determined. Of particular interest here was the investigation of the coding efficiency, achievable with the respective modulation scheme. The coding efficiency describes the amount of useful signal power or respectively signal amplitude, which can be extracted out of the modulator output signal spectrum and is of great importance regarding the attainable power efficiency of a switch mode amplifier. Here, RF input signals in the frequency range of 450 MHz to 3 GHz were considered, as they are of particular interest for applications in the field of mobile communication systems. Within the investigated method of bandpass pulse length modulation, special attention was given to a novel modulator circuit configuration which provides a linear transfer of the envelope information of the RF signal. Compared to conventional pulse length modulation, the bandpass pulse length modulation is characterized by a particularly high coding efficiency, which makes it advantageous for the control of switch mode amplifiers. By means of practical implementations in the form of integrated modulator circuits in a 250 nm-SiGe semiconductor technology the most important characteristics of the modulation techniques could be verified by measurements and the suitability of the two investigated methods for practical use could be proved.

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Hartmann, Christian: Einsatz von geeigneten Verfahren der Pulslängenmodulation zur Ansteuerung von Hochfrequenz-Schaltverstärkern. Ilmenau 2016.

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