Wideband Active Load Modulation in RF Power Amplifiers

For almost a century, active load modulation techniques have been used to increase the backoff efficiency of high frequency power amplifiers. The Doherty architecture, which is based on active load modulation, has become the standard power amplifier architecture in cellular base station transmitters and makes a significant contribution to the energy-efficient operation of cellular mobile radio networks today.

In recent times, the increasing availability of ever more powerful digital signal processing also led to a paradigm shift in the field of transmitter systems. The application of complex digital predistortion algorithms opens up new ways to overcome some of the bandwidth limitations that are inherent to classic power amplifier architectures based on active load modulation and thus allows to exploit the efficiency advantages of active load modulation also for the increasingly important wideband operation.

In this work, a universal and illustrative method of analysis of multi-harmonic load modulation spaces is developed and the possibilities and characteristics of hybrid modes within the ‘Doherty-Outphasing continuum’ with regard to wideband operation are investigated. In the last part of the work, the theoretical findings are verified using a wideband Doherty PA demonstrator with a peak output power of 300 W in the frequency range of 680 to 1020 MHz. Seit beinahe einem Jahrhundert wird die Technik der aktiven Lastmodulation in Hochfrequenzleistungsverstärkern zur Erhöhung der Energieeffizienz im Teillastbereich eingesetzt. In den Sendeverstärkern von Mobilfunkbasisstationen hat sich die auf aktiver Lastmodulation beruhende Doherty-Architektur inzwischen als Standard etabliert und leistet dort einen wesentlichen Beitrag zum energieeffizienten Betrieb der Mobilfunknetze.

Die Verfügbarkeit einer immer leistungsfähigeren digitalen Signalverarbeitung führt auch im Bereich der Sendersysteme zu einem Paradigmenwechsel. Der Einsatz komplexer, digitaler Vorverzerrungsalgorithmen eröffnet dabei die Möglichkeit, einige der bandbreitenbegrenzenden Faktoren klassischer Verstärkerarchitekturen mit aktiver Lastmodulation zu überwinden und die Effizienzvorteile der aktiven Lastmodulation damit auch für den immer wichtiger werdenden Breitbandbetrieb zu erschließen.

In der vorliegenden Arbeit wird eine universelle und anschauliche Methode zur Analyse multiharmonischer Lastmodulationsräume entwickelt und es werden die Möglichkeiten und Eigenschaften hybrider Betriebsarten innerhalb des sog. „Doherty-Outphasing Kontinuums“ im Hinblick auf den Breitbandbetrieb untersucht. Die dabei gewonnenen theoretischen Erkenntnisse werden im letzten Teil der Arbeit anhand eines Breitband-Doherty Demonstrators mit einer maximalen Ausgangsleistung von 300 W im Frequenzbereich 680 - 1020 MHz verifiziert.