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12-2018

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

HF-Technik

HF-Technik Doherty-Verstärker im UHF-Band Bild 1a: Klassischer asymmetrischer 2-Wege-Doherty-Verstärker Vorteile • Kleine Baugröße • Hohe Leistung (240 W pro Verstärker) • Balun (Auslöschung der zweiten Oberwelle) • Kostengünstig • Standard-Verstärkerkonfiguration Nachteile • Schmalband • Begrenzte Leistung in Breitband-Verstärker-Designs Autor: Walter Sneijers, RF Application Engineer, Ampleon www.ampleon.com Die drei Forderungen nach hohem Wirkungsgrad, geringer Baugröße und niedrigen Kosten für UHF-Sender – vorgegeben durch die Mobilfunktechnik – führte zur Einführung von Doherty-Verstärkern in der Mobiltelefonie. Seitdem wurden Doherty-Architekturen weiter verbessert, was zu einer Verbreitung dieser Technik im Rundfunkbereich führte. Doherty- Verstärker finden sich daher in fast allen heutigen neueren Bild 1b: Klassischer asymmetrischer 2-Wege-Doherty-Verstärker (Hybrid- Variante) Die klassische 2-Wege-Doherty-Variante mit Eingangs- und Ausgangshybriden. Der Vorteil ist der kompakte Aufbau, der in symmetrischen Klasse-AB-Verstärkern zum Einsatz kommt. Der Ausgangshybrid weist eine 0?-Last (oder unendliche Last) auf, um die korrekten Doherty-Transformationen zu realisieren. UHF-Sendern. Der folgende Beitrag beschreibt die Auswahl von Doherty-Architekturen und zeigt auf, wie die BLF8xx-Transistoren von Ampleon in Dohertybasierten UHF-Verstärkern zum Einsatz kommen. (Der Einsatz von GaN-Transistoren ist in diesem Beitrag nicht vorgesehen.) Doherty-Architekturen In den folgenden Abschnitten werden zwei gängige Doherty- Architekturen betrachtet: die klassische 2-Wege- und die Ultra-Breitband-(UWB-)Architektur. Klassische 2-Wege- Doherty-Architektur Bild 1a beschreibt einen klassischen Doherty-Leistungsverstärker, der aus zwei Verstärkern besteht: einem Hauptbzw. „Träger“-Verstärker, der als Klasse AB vorgespannt ist; der andere als „Spitzen“-Verstärker, der für C-Betrieb vorgespannt ist, um bei Bedarf eine hocheffiziente Verstärkung bereitzustellen, wenn diese für entsprechende Eingangsgrößen mit höherer Leistung benötigt wird. Das Eingangssignal Bild 2a: Momentaner Wirkungsgrad und pdf DVB-T Bild 2b: Durchschnittlicher Wirkungsgrad als Funktion des PAR-Wertes 28 hf-praxis 12/2018

HF-Technik Bild 3a: Ideale Bandbreite α = 0,5 (symmetrisch) Back-off-Leistung bei -8 dB schwarz = Wirkungsgrad bei voller Leistung; rot = Wirkungsgrad bei Back-off Bild 3b: Ideale Bandbreite α = 0,4 (symmetrisch) Back-off-Leistung bei -8 dB schwarz = Wirkungsgrad bei voller Leistung; rot = Wirkungsgrad bei Back-off Bild 4: Asymmetrischer Ultra-Wideband-2-Wege-Doherty-Verstärker Vorteile • Breitband (Vollbandlösung ist möglich) • Hohe Leistung (115-150W-Designs) • Wirkungsgrad (asymmetrischer 2-Wege-Doherty-Verstärker ist möglich) Nachteile • 10 mil Leiterplatte erforderlich • Mehr Platzbedarf • Kein Balun wird gleichmäßig mittels eines 3 dB-Quadraturkopplers aufgeteilt. Die beiden Ausgänge des Kopplers sind um 90° phasenverschoben und werden über eine λ/4-Übertragungsleitung des Spitzenverstärkers wieder in Phase gebracht und reaktiv kombiniert. Die beiden parallelen Signale erzeugen eine Impedanz von Z0/2 Ω, die vom λ/4- Transformator auf Z0 Ω hochgewandelt wird. Ein Verstärker mit klassischer Doherty-Architektur arbeitet nur über eine schmale Bandbreite und erreicht lediglich begrenzte Leistungspegel. Dagegen steht jedoch ein deutlich größerer Wirkungsgrad bei der Verstärkung von Signalen mit hohem Verhältnis von Spitzen- zu Durchschnittsleistung. Eine einfache Möglichkeit zur Implementierung eines klassischen 2-Wege-Doherty-Verstärkers bieten die Transistoren BLF888A/B von Ampleon. Der Halbleiterverstärker erreicht - bei einer durchschnittlichen Leistung von 220 W - einen Wirkungsgrad von 45%. In dieser Konfiguration sollte der robuste BLF888A vor allem im Spitzenverstärker und der hocheffiziente BLF888B im Hauptverstärker zum Einsatz kommen. Die asymmetrische Doherty- Architektur (Bild 1b) erhöht den durchschnittlichen Wirkungsgrad um 2 bis 3% im Vergleich zum o.g. klassischen 2-Wege- Design. Zudem bietet sie eine höhere Leistung. Das Design nutzt den gleichen Hauptverstärker, aber einen Spitzenverstärker mit höherer Leistung und lässt sich z.B. mit Ampleons BLF888B (als Hauptverstärker) und BLF898 (als Spitzenverstärker) umsetzen. In diesem Fall bietet der Spitzenverstärker BLF898 mit 900 W etwa die 1,5-fache Leis tung des Hauptverstärkers BLF888B mit 650 W, was zu α = 0,4 führt (ist das Verhältnis der Hauptverstärkerleistung zur Summe der Haupt- und Spitzenverstärkerleistungen). Bild 2a und 2b beschreiben, wie höhere Wirkungsgrade der Verstärker erhalten bleiben, indem die Leistung des Spitzenverstärkers variiert wird. Zu beachten ist jedoch, dass dieses Design komplexer als der klassische 2-Wege-Aufbau ist und der relativ geringe Anstieg der Leistung und des Wirkungsgrads diese zusätzliche Komplexität rechtfertigen kann oder auch nicht. Ultra-Breitband- 2-Wege-Doherty- Architektur Die UWD-Architektur (Ultra Wideband Doherty) überwindet einige der Bandbreitenbeschränkungen des klassischen Designs. Die zusätzliche Bandbreite wird erzielt, indem Änderungen an der Ausgangsschaltung der Architektur vorgenommen werden (Bild 4). Die Positionen des Leistungskombinierers und der Impedanz-Anpassungsschaltungen werden vertauscht, und die Kapazität wird zu den Ausgängen der Verstärker hinzugefügt. Ein theoretisches UWD-Design deckt das gesamte UHF-Spektrum ab, wenn auch mit einem reduzierten Wirkungsgrad (Bild 3a). Praktische Erwägungen, wie parasitäre Effekte in den Ausgangsstufen und Oberschwingungen zweiter Ordnung, begrenzen jedoch die erreichbare Bandbreite. Ein solches Design wird mit dem Transistor BLF888D von Ampleon möglich, der eine vollständige Abdeckung des UHF-Bands bei 40% Wirkungsgrad mit einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von 115 W ermöglicht. Der Wirkungsgrad dieses Designs ist jedoch durch die Art der Ausgangsschaltung und auch durch die von Kanalfiltern eingeführten Oberschwingungen zweiter Ordnung begrenzt. Diese und andere Faktoren sind schwer zu mindern und können den Wirkungsgrad um bis zu 5% senken. hf-praxis 12/2018 29

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