Ett av de forskningsbidrag som presenterades på Swedish Microwave Days, på Chalmers, handlar om att modulera matningsspänningen i RF-slutsteg.

Olof Bengtsson, Ferdinand-Braun-Institut (FBH), Berlin , berättade om detta under rubriken ”GaN-HEMT in supply modulated RF-power systems”.
Ett problem med de typer av digital modulation som idag används är deras stora förhållande mellan toppeffekt och medeleffekt (peak-to-average power ratio, PAPR). Att då mata RF-slutsteget med konstant spänning betyder onödiga förluster. Om man låter matningsspänningen följa envelopen hos  den modulerade signalen kan mycket effekt sparas.
Vid Ferdinand-Braun-institutet pågår forskning för att undersöka potentialen av att använda GaN-HEMT i olika delar av det modulerade systemet. Dels är arbetet inriktat, på komponentnivå för att minska den spänningensberoende kapacitansen på transistorn utgång, dels på systemnivå för att öka systemets verkningsgrad och linjäritet.

RF-GaN i DC/DC-omvandlare
Särskilt har man intresserat sig för att undersöka hur de egna GaN-transistorer för RF-effekt, kan användas  i bredbandigt modulerade kraftaggregat. De högfrekventa RF-effekttranssistorerna har till skillnad från de högspänningstransistorer i GaN, som är ämnade för vanliga i DC/DC omvandlare, större potential att arbeta vid de mycket höga switch-frekvenser som är nödvändiga i framtida högeffektsmodulatorer för  bredbandiga system.
Förutom i RF-effektförstärkaren (PA) finns det stora fördelar med att använda GaN-HEMT även i envelop-förstärkaren. Den kan kort beskrivas som en buck-omvandlare som styrs av en komparator som jämför inkommande envelopspänning med matningsspänningen till PA.

Det förenklade blockschemat visar det modulerade kraftaggregatet som matar PA.

Switchfrekvensen är 1 MHz men RF-effekttransistorerna i sig har potential att arbeta upp till >100 MHz. Försöksuppkopplingen, för 28 V, kunde ge upp till 50 W uteffekt av den envelopföljande matningsspänningen. Drivkretsen, som styr till och frånslag av GaN-transistorn och utgör gränssnitt till de digital basbandskretsarna, har visat sig vara en utmaning i denna typ av konstruktion. GaN-transistorn utgör en krävande kapacitiv last och drivkretsen måste i denna topologi jobba med en flytande potential då source på transistorn matar lasten. Här återstår mycket utveckling i framtiden. Drivkretsar för GaN är ett hett forskningsområde på vilket flera finansiärer har aviserat att de kommer att satsa pengar.

Varierande utimpedans ger problem
Det finns också utvecklingsmöjligheter för GaN-transistorn i RF slutsteget. Load-pull-mätningar har visat att GaN-HEMT  har en stor potential till att arbeta över stora spänningsområden. Problemet är att om man ändra matningsspännigen till slutsteget, ändras också dess utimpedans. Det resulterar i missanpassning vilket gör att slutsteget ger lägre uteffekt och den tänkta vinsten av ökad verkningsgrad motverkas.


Load-pull-mätningar visar hur matningsspänningen påverkar utimpedansen. (Copyright Frequenz Nr./2011)

”Ringarna” i Smithdiagrammet visar 5 procentenheters minskning av beräkningsgraden vid optimal belastningsimpedans för olika spänningar.

Fältplattor sänker kapacitans
Arbete har inletts med målet att minska utkapacitansen (som stiger brant för minskad source-drainspänning) och dess spänningsberoende  genom ändrade geometrier och ändrad dimension på de source-kopplade fältplattor mellan gate och drain som är avsedda att skapa en jämnare fältfördelning, högre genombrottsspänning och speciellt för GaN motverkar minneseffekter. Att utveckla speciella RF-effekttransistorer för insats i system med diskret dynamisk modulerad matningsspännig, s k klass G-modulation, är ett av delmålen i ett FBH-projekt som nyligen fått finansiering av DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft, German Research Foundation).
Olof Bengtsson berättade om vilka vinster man kan uppnå med modulerad matningsspänning i ett slutsteg för 2,14 GHz. Det är ett 15 W slutsteg som går i klass F.
En statisk analys visade att slutsteget kunde optimeras för att höja PAE från 32 procent till 64 procent.
Framtida arbete kommer att vara inriktat på kompletta system med dynamiskt modulerad matningsspännig. Dessa system ställer höga krav på verkningsgrad i både effektslutsteg och modulator men också krav på anpassade algoritmer för systemlinjärisering och crestfaktorreduktion.
Det är ett arbete som FBH bedriver i tät samverkan med andra aktörer. Med tillgång till egna GaN-processer ser man vid FBH stora möjligheter att utveckla GaN-transistorer, optimerade för samtliga delar i system för modulerad matningsspännig. Beroende på toplogi kan det i framtiden också leda till systemintegration i de befintliga MMIC-processer som står till förfogande vid FBH.

Short English Summary of the part directly relating to FBH activities
To develop special RF-power transistors for discrete dynamic supply modulation, so called class-G modulation, is one of the goals of an FBH project that recently received financing from the German Science Foundation (DFG).
Future work will be directed towards complete systems with dynamically modulated supply voltage. These systems place high efficiency requirements on in power amplifiers as well as modulators, but also a need for adapted algorithms for system linearization and crest-factor reduction. This is a work that FBH conducts in close co-operation with other academic partners. With access to the in-house GaN process, FBH sees great opportunities to develop GaN-transistors optimized for all parts of supply modulated systems. Depending on toplogy, that could also lead to system integration unsing the available MMIC-process at FBH.

Filed under: Teknikartiklar