High-Power Comb-Line Filter Architectures for Switched-Mode RF Power Amplifier Systems

174 Pages·2013·17.65 MB·English

by  Elena Serebryakova

Elena Serebryakova
High-Power Comb-Line Filter Architectures
for Switched-Mode RF Power Amplifier
Systems
Dissertation
zurErlangungdesakademischenGrades
Doktoringenieur(Dr.-Ing.)
vorgelegtderFakultätfürElektrotechnikund
InformationstechnikderTechnischenUniversitätIlmenau
vonM.Sc.ElenaSerebryakova,
geborenam19.Januar1984inAtyrau,Kasachstan
vorgelegtam: 22.04.2012
Gutachter: Prof.Dr.rer.nat.habil.MatthiasA.Hein(Betreuer)
Prof.IrinaB.Vendik
Prof.Dr.-Ing.GeorgFischer
Verteidigungam: 25.10.2012
Verf.-Nr.: EI
urn:nbn:de:gbv:ilm1-2012000478

ElenaSerebryakova
To Kurt
III
ElenaSerebryakova
Acknowledgements
The present work is a part of the research project ”HF-Modulator für
Klasse-S-Verstärker:SignalbereitstellungimZeit-undFrequenzbereich”(HMoS).
The project and thus my position at the RF and Microwave Research Laborat-
ory of the Ilmenau University of Technology were funded by the German Min-
istry of Education and Research within the class-S consortium of the focus pro-
gram ”Mobile-GaN” (Grant 01BU0603), for which I am very grateful: also for
the contact it brought me with the partners in the Mobile-GaN project: EADS
Deutschland GmbH, Alcatel-Lucent Deutschland AG, Ferdinand-Braun-Insti-
tut Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), Fraunhofer Institute Ap-
pliedSolid-StatePhysics(IAF)andIHPGmbHinFrankfurt/Oder.
I thank the head of the laboratory, Prof. M. A. Hein, for the opportunity
toworkunderhissupervisionandforhiswatchfuleyeoverourgroup.
I am thankful to Dr. K. Blau for so many things: the regular scientific dis-
cussion, the non-stop encouragement, the constant availability and the warm
friendshiphehasgiventomeandeverybodyinthegroup.
Thank you also, very sincerely, to: Prof. I. Vendik and Prof. G. Fischer for
reviewingmythesis;myfellow-researcherDipl.-Ing.Ch. Hartmannforfruitful
discussionsduringtheproject;Dr. K.Blau,Mrs. S.KubitzandDr. J.Trabertfor
proofreading of my thesis; all the rest of my colleagues for the pleasant work
climate.
Ithankmyfamilyfortheirunderstandingandencouragement,especially
overthelastsixyears.
ElenaSerebryakova,
Ilmenau,7thMay2013
IV
ElenaSerebryakova
Abstract
This work has taken place in the context that a class-S power amplifier
systemwithsimplifiedtransmitterarchitecturesandincreasedpowerefficiency
makes an attractive candidate for cellular phone base transceiver station appli-
cations[1].
The author describes the requirements for, and a number of successful
implementationsof,areconstructionfiltersuitableforsuchanamplifiersystem.
In a current-mode class-S power amplifier system, crucial to the maintenance
of the rectangular shape of the drain current and thus to high efficiency are
not only the tailoring of pass-band and stop-band, but also the specification of
inputimpedancefordifferentmodesofexcitationoverawidefrequencyrange.
Doubly and singly terminated filters are subjected to theoretical consideration,
simulation, testing and measurement. The main focus of the research is on the
designofthereconstructionfilter.
It is found that the electrical and geometrical constraints for the design
of a reconstruction filter are well satisfied by balanced input comb-line filters.
Several filter architectures are proposed, experimentally investigated, and crit-
ically analysed in terms of differential and common mode impedances. This
is the first complete analysis of reconstruction filters for current mode class-S
power amplifier systems, as far as the author knows. Switched-mode power
amplifier systems which include the proposed filters are also simulated and
measured under different driving conditions. The maximum power efficiency
of65%todateintheswitched-modepoweramplifiersystemscanbeattributed
tothesuccessfulfilterdesign.
V
ElenaSerebryakova
Zusammenfassung
Die vorgelegte Arbeit behandelt die Analyse der Anforderungen, den
schaltungstechnischen Entwurf, den Aufbau und die messtechnische Verifi-
zierung von Rekonstruktionsfiltern für Leistungsschaltverstärker im Klasse-S
Betrieb, die auf Grund ihres hohen Wirkungsgrades vorzugsweise in Mobil-
funkbasisstationen Verwendung finden sollen. Die Brauchbarkeit des Entwur-
fes wird an Hand einer Reihe von Applikationsbeispielen anschaulich darge-
stellt.
AlsKernforderungeinerderartigenFilterauslegunghatsichdieAufrecht-
erhaltung der Rechteckzeitfunktion des Drain-Stromes für einen (im ”Current
Mode” arbeitenden) Schaltverstärker herausgestellt, weil sonst die damit er-
zielbare hohe Effizienz nicht erreicht werden kann. Darüber hinaus fließen in
dieFilterauslegungnichtnurdieFixierungdesFilterdurchlass-undsperrberei-
chesein,sondernauchdieFestlegungderEingangs-undLastimpedanzbeiun-
terschiedlichenAnregungsmodenübereinenbreitenFrequenzbereich.Doppel-
und einzelterminierte Filter werden theoretisch betrachtet, simuliert, getestet
undgemessen.
Es wurde herausgearbeitet, dass die schaltungstechnischen und geome-
trischen Anforderungen an einen derartigen Rekonstruktionsfilterentwurf gut
durch symmetrisch gespeiste Kammleitungsfilter erfüllt werden können. Ver-
schiedene Filterarchitekturen werden im Hinblick auf ihr Gleich- und Gegen-
taktaktimpedanzverhalten vorgestellt, experimentell untersucht und kritisch
analysiert. Soweit dem Autor bekannt ist, werden hier erstmalig Rekonstruk-
tionsfilter für Klasse-S Leistungsverstärker im ”Current Mode” komplett ana-
lysiert.DesweiterenwirddieFunktionalitätdesRekonstruktionsfiltersanHand
andererTypenvonLeistungsschaltverstärkernsimuliertundmesstechnischun-
tersucht. Der maximale Wirkungsgrad von 65% bei Leistungsschaltverstärker-
systemenlässtsichdemerfolgreichenFilterentwurfzuschreiben.
VI
Contents
1 Introduction 1
1.1 Stateoftheartofmobilecommunications . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Greenmobilecommunication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Theclass-Spoweramplifierasahighlyefficientalternative . . . . 4
1.4 OrganisationoftheDissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Class-S power ampli(cid:28)er systems 8
2.1 RFpoweramplifiersprinciplesfromclass-Atoclass-S . . . . . . . 8
2.2 Stateoftheartofclass-Spoweramplifiers . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Architectureofclass-Spoweramplifiers . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 Switchingamplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2 RFone-bitmodulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.3 Reconstructionfilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 Conclusionoftheclass-Spoweramplifiersystemconcept . . . . . 25
3 Requirements for reconstruction (cid:28)lters 27
3.1 Requirementsfortransmitterfiltersforwirelessbasestations . . . 27
3.2 Inputimpedancesfordifferentexcitationmodes . . . . . . . . . . 29
3.3 Filterterminations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4 Singlyterminatedfilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.1 Computationandmeasurementtechniques . . . . . . . . . 43
3.4.2 Impedancetransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5 Specificationsforareconstructionfilter . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.6 Conclusionoftherequirementsforreconstructionfilters . . . . . 49
III
Contents
4 Design and implementation of reconstruction (cid:28)lters 52
4.1 Filtertechnologiesforwirelessbasestations . . . . . . . . . . . . . 52
4.2 Coaxialcomb-linefilterdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.1 Qualityfactor,transferfunctionandfilterorder . . . . . . 56
4.2.2 Simulationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.3 Measurementresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.4 Frequencytunability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.5 Highpowerhandlingcapability . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3 Balancedinputcomb-linefilterdesign . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.1 Architecturewithastraightloop . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.2 Designwithapulseshapingnetwork . . . . . . . . . . . . 78
4.3.3 Filterswithanelectrically-longinputloop . . . . . . . . . . 83
4.3.4 Alternativedesignwithanelectrically-shortinputloop . . 92
4.4 Conclusion of the design and implementation of reconstruction
filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5 In(cid:29)uence of the reconstruction (cid:28)lter on the power ampli(cid:28)er per-
formance 98
5.1 Simulationofreconstructionfiltersinclass-DRFPAsystems . . . 98
5.1.1 SimulationenginesinADSsoftware . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.2 Transistormodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.1.3 Powercharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.1.4 ImpactofparasiticcomponentsintheGaNHEMTs . . . . 103
5.1.5 Effectofparasiticcomponentsinthefilter . . . . . . . . . . 105
5.1.6 Influenceofthefiltertermination . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2 Simulationofreconstructionfiltersinclass-SPAsystems . . . . . 109
5.2.1 Class-Ssystemwithapulse-lengthmodulator . . . . . . . 111
5.2.2 Class-Ssystemusingadelta-sigmamodulator . . . . . . . 114
5.3 Overviewofclass-Sdemonstrators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3.1 DemonstratorfortheTETRAfrequencyband . . . . . . . . 117
5.3.2 DemonstratorsfortheGSMfrequencyband . . . . . . . . 118
5.4 Measurementresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
IV
Contents
5.4.1 DemonstratorfortheTETRAfrequencyband . . . . . . . . 122
5.4.2 DemonstratorsfortheGSMfrequencyband . . . . . . . . 123
5.5 Conclusion regarding implementation of switched-mode power
amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6 Conclusions 130
Publications A
Bibliography C
List of Symbols and Acronyms Q
V
List of Figures
1.1.1 Evolutionindatatransmissionrate[2]. . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.3.1 Basic building blocks of a class-S PA system: a one-bit mod-
ulator, a switching amplifier and a reconstruction filter. Time
signals(redcurves)andspectra(bluecurves)areshownateach
buildingblock. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
∆Σ
2.3.2 Current-mode class-S PA system comprising a M or PLM, a
push-pull transistor amplifier with biasing network (RF chokes
L and voltage supply V ), a parallel resonant circuit (L and
ch cc
C),andaloadresistance R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
l
2.3.3 Waveforms of drain currents (red curves) and drain voltages
(bluecurves)inacurrent-modeclass-SPAsystemwhendriven
by a PLM. The ADS simulation was carried out under the fol-
lowing conditions: V = 17.5 V, R = 3 Ohms, R =
cc dsON lOpt|class−S
65Ohms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.4 Generaltopology(inpanela)andtypicalsimulatedpowerspec-
∆Σ
traldensity(inpanelb)ofa M[3]. . . . . . . . . . . . . . . . . 20
∆Σ
2.3.5 Photograph of the M chip (in panel a) and the measured
output spectrum (in panel b) [4] (Source: IHP GmbH in Frank-
furt/Oder,Germany). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.6 General topology (in panel a) and typical power spectral dens-
ity(inpanelb)ofaPLM[5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
VI