Die Energieeffizienz ist und bleibt neben stetig steigender Datenraten eine der wichtigsten Herausforderungen im Mobilfunkbereich. Im Rahmen dieses Projekts wurden Technologien untersucht und implementiert, um HF-Leistungsverstärker effizienter zu machen.
Im Forschungsvorhaben wurden die Technologien Envelope Tracking und Envelope Switching zur Effizienzssteigerung von HF-Leistungsverstärkern erforscht und entwickelt. Beim Envelope Tracking wird die Versorgungsspannung des Leistungsverstärkers der tatsächlich benötigten Momentausgangsleistung nachgeführt. Das Verfahren stellt jedoch bei breitbandigen Funksignalen extreme Anforderungen an das Netzteil. Dagegen stellt der einfachere Ansatz des Envelope Switchings dem Leistungsverstärker lediglich zwei unterschiedliche Betriebsspannungsniveaus zur Verfügung, zwischen denen in Abhängigkeit von der benötigten Momentausgangsleistung geschaltet wird. Dadurch arbeitet der Verstärker in effizienten Betriebsmodi sowohl für hohe als auch niedrige Ausgangsleistungen.
rechts: modulierte Versorgungsspannung und HF-Ausgangssignal des Verstärkers (Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung, Institut für Integrierte Schaltungen IIS)
Um die beiden Verfahren und Netzteilkonzepte untersuchen zu können, wurden zwei Verstärker entwickelt bzw. bereitgestellt, die beide auf moderner GaN-Transistor-Technologie basieren. Diese Technologie ermöglicht wegen einer höheren Leistungsdichte und Versorgungspannung einen höheren Wirkungsgrad. Um auch bei einer Anwendung von Envelope Tracking und Envelope Switching das Signal störungsarm übertragen zu können, wurden die Eigenschaften beider Verstärker durch ein Linearisierungsverfahren verbessert.
Beim Verstärker für schmalbandigen UHF-Funk wurde durch Envelope Tracking eine Steigerung des Wirkungsgrads um mehr als 30 % erzielt, beim Mobilfunkverstärker waren es immerhin noch bis zu 25 %. Allerdings nahm der Effizienzgewinn bei höheren Signalbandbreiten merklich ab. Die Ergebnisse bei Envelope Switching sind vielversprechend, konnten jedoch im Rahmen dieses Projekts nicht abschließend untersucht werden. Hier ergaben sich insbesondere Herausforderungen an die Signalerzeugung und Linearisierung.
