PhD Thesis, Universität Erlangen-Nürnberg, Nokia

135 Pages·2015·9.6 MB·English

Outphasing RF Power Amplifiers
for Mobile Communication Base Station Applications
Differenzphasengesteuerte Hochfrequenz-Leistungsverst¨arker
fu¨r die Anwendung in Mobilfunk Basisstationen
der Technischen Fakult¨at
der Friedrich-Alexander-Universit¨at Erlangen-Nu¨rnberg
zur Erlangung des Doktorgrades
Dr.-Ing.
vorgelegt von
M.Sc. Zeid Abou-Chahine
aus Al-Manara, Libanon

Als Dissertation genehmigt
von der Technischen Fakult¨at
der Friedrich-Alexander-Universit¨at Erlangen-Nu¨rnberg
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 18.06.2015
Vorsitzende des Promotionsorgans: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Georg Fischer
Prof. Dr.sc.techn. Renato Negra

All praise be to Allah, the Lord of the worlds.
Alles Lob geh¨ort Allah, dem Herrn der Welten.

Abstract
Thecontinuouslygrowingfocusonreducingenergyconsumptionworldwidehasinfiltrated
into the telecommunications domain in its both mobile terminals and base stations. This
has led eventually to the introduction of advanced power amplifier (PA) architectures.
This work investigates the suitability of outphasing PAs for use as a high efficiency solu-
tion in next generation base station applications. Besides the classical Chireix concept,
severalnewlyemergingoutphasingvariantsareanalyzedandcompared. Theeffectsofthe
nonlinear output capacitance are considered in detail. It is shown that harmonic isolation
is vital for the Chireix PA realization using transistor devices. In addition, the power
capability of the Chireix outphasing PA is discussed and a load-pull simulation technique
for the complete PA is proposed. The findings are used to develop a method for designing
practical Chireix PAs.
A proof of concept 60W Chireix PA prototype using state of the art GaN HEMTs is
presented. Measurements with 5MHz 1-Carrier and 20MHz 2-Carrier W-CDMA signals
of 7.5dB PAR resulted in respectively 45% and 44% average drain efficiencies.

¨
Ubersicht
Fu¨r Telekommunikationsausru¨ster Endgera¨tehersteller wie Infrastrukturlieferanten
(cid:1) (cid:1)
liegt der Schwerpunkt weltweit mehr und mehr auf einem geringen Energieverbrauch.
Dieser Schwerpunkt erfordert die Einfu¨hrung fortgeschrittener Leistungsversta¨rker-
architekturen.
Diese Arbeit untersucht die Eignung des Outphasing-Konzepts im Hinblick auf hochef-
fiziente Leistungsverst¨arker fu¨r fortschrittliche Sendestationen der drahtlosen Kommu-
nikation. Neben dem klassischen Chireix-Verfahren werden verschiedene moderne
Outphasing-Varianten untersucht und gegeneinander abgewogen. Es wird gezeigt, dass
es bei Verwendung von Transistoren im Chireix-Verst¨arker vordringlich auf die Isolation
der beiden Pfade bei den Vielfachen der Grundfrequenz ankommt. Ferner wird die Eig-
nung von Outphasing-Versta¨rkern fu¨r hohe Ausgangsleistungen untersucht und ein neues
Load-Pull-Simulationsverfahren zur Versta¨rkerentwicklung vorgeschlagen. Die Ergebnisse
laufen in einem neuen Entwurfsverfahren fu¨r Chireix-Leistungsversta¨rker zusammen.
Die Eigenschaften des Entwurfsverfahren werden herausgerabeitet und seine Eignung
anhand eines 60W Chireix-Versta¨rker basierend auf GaN-HEMT-Bauelementen nach-
gewiesen. Messungen zeigen bei 7,5dB Spitzen- zu Mittelwertleistung einen Wirkungs-
grad von 45% bei einem 5MHz breiten W-CDMA-Signal, und 44% bei 2 W-CDMA-
Signalen und 20MHz Signalbandbreite.