Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik

Leistungsverstärker

Linearisierte Leistungsverstärker mit hohem Wirkungsgrad

 

In diesem Projekt werden prinzipielle Untersuchungen zu Methoden der Wirkungsgraderhöhung sowie der Linearisierung von Leistungsverstärkern für zukünftige Anwendung in digitalen Kommunikationssystemen untersucht. Der Schwerpunkt liegt hierbei bei dem Mobilfunkstandard WCDMA (UMTS). Die gleichzeitige Erfüllung von Wirkungsgrad und Linearität ist mit den heutigen üblichen verwendeten Verstärkerverfahren nicht zu erreichen. Einen völlig anderen Ansatz zur Lösung des Problems stellt das LINC (Linear Amplification using Nonlinear Components) Verfahren dar. Hierbei wird ein generelles Signal, welches in heutigen Systemen durch Amplituden- und Phasenmodulation codiert wird in zwei ausschließlich phasenmodulierte (PM) Signale mit einer konstanten Einhüllenden separiert. Die zwei PM-Signale können nun mit zwei bei konstanter Amplitude betriebenen Verstärkern, die nichtlinear sein können und in Kompression und damit mit maximalem Wirkungsgrad arbeiten, verstärkt werden, ohne dass Intermodulationsverzerrungen auftreten. Abschließend werden die beiden Signale mittels Vektoraddition wieder zu dem ursprünglichen Signal zusammengesetzt. Ein LINC-System kann in verschiedene Komponenten mit unterschiedlichen Problemstellungen separiert werden:

  • DCS - breitbandiger Digital-Component-Separator in Echtzeit,
  • Transmitter-Architektur,
  • hocheffiziente Leistungsverstärker in Sättigung,
  • effiziente lastmodulierende Leistungsaddition der Verstärker-Endstufen,
  • digitale System-Kalibrierung und Signal-Korrektur (Signal-Vorverzerrung).

 


Der Digital-Component-Separator (DCS) berechnet in Echtzeit die Amplituden- und Phaseninformation des Signals und leitet daraus die zwei notwendigen phasenmodulierten Signale ab. Dieser wurde unter Verwendung einer effizienten DSP-Architektur in einer sehr schnellen digitalen Hardware (FPGA) mit hoher Bandbreite (ca. 120 MHz) für die Anwendung in einem LINC-System entworfen und implementiert. Zudem wurde gezeigt, dass das LINC-Verfahren ebenfalls geeignet ist, Mehrfachträger-Signale (Basisstation) effizient zu übertragen. Hierfür ist eine komplexe Modulation mit einer ersten digitalen Zwischenfrequenz notwendig. Diese wird ebenfalls flexibel auf dem FPGA realisiert. Zugleich ist eine effiziente und flexible Konfiguration bzw. Anpassung an verschiedene HF-Transmitter-Topologien möglich. Der Einfluss auf die Signalverzerrung in Abhängigkeit der Bandbreite sowie der Bandbreitenbedarf der PM als Funktion der Amplitudenmodulationsstatistik wurde untersucht und für die Anwendung als Einzelträger (Uplink) als auch für Mehrfachträger (Downlink) Übertragung spezifiziert. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist eine spezielle lastmodulierende Leistungsaddition der Verstärker-Endstufen (Klasse B, C, F -Betrieb) notwendig, die jedoch in der Praxis zu nichtlinearen Signalverzerrungen führt. Aktueller Forschungsgegenstand ist die Untersuchung der Möglichkeiten einer breitbandigen digitalen Linearisierung der Kennlinie sowie der Übertragungskanäle unter Beibehaltung eines hohen Gesamtwirkungsgrades. Hierfür werden verschiedene Verfahren im Zeit- als auch im Frequenzbereich betrachtet. Als Voraussetzung wurde ein spezielles vektorielles Messsystem entwickelt, welches über eine Echtzeit-Messbandbreite von bis zu 60 MHz verfügt.




 

Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Reinhard Knöchel
Telefon: 0431 / 880-6168
Email: rk@tf.uni-kiel.de
 

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