DE102022104165A1

DE102022104165A1 - Mlinc

Info

Publication number: DE102022104165A1
Application number: DE102022104165.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Müller; Renato Negra
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2022-02-22
Filing date: 2022-02-22
Publication date: 2023-08-24
Also published as: WO2023161010A1

Abstract

Ein Mehrfach-Stufen-Linearverstärker mit nichtlinearen Komponenten, MLINC (1), für einen Hochfrequenzsender, der MLINC (1) umfassend einen ersten Ausphasungs-Verstärker (2), der ausgebildet ist, einen ersten Satz an Eingangssignalen (S11, S12) entgegenzunehmen und ein erstes Zwischensignal (S1) mit stufenförmiger Hüllkurve bereitzustellen, die von einem gesteuerten Teil (θc1) einer Phasenmodulation in dem ersten Satz an Eingangssignalen (S11, S12) abhängt; einen zweiten Ausphasungs-Verstärker (3), der ausgebildet ist, einen zweiten Satz an Eingangssignalen (S21, S22) entgegenzunehmen und ein zweites Zwischensignal (S2) mit stufenförmiger Hüllkurve bereitzustellen, die von einem gesteuerten Teil (θc2) einer Phasenmodulation in dem zweiten Satz an Eingangssignalen (S21, S22) abhängt; und eine Kombiniereinrichtung (6), die ausgebildet ist, das erste und zweite Zwischensignal (S2) zu einem Ausgangssignal (Sout) zu kombinieren, das eine aufgrund einer Phasensymmetrie des ersten und zweiten Zwischensignals (S1, S2) linearisierte Hüllkurve aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Mehrfach-Stufen-Linearverstärker mit nichtlinearen Komponenten (MLINC) mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines MLINC.
Der folgende Hintergrund soll lediglich Informationen liefern, die zum Verständnis des Zusammenhangs der hier offenbarten erfinderischen Ideen und Konzepte erforderlich sind. Daher kann dieser Hintergrundabschnitt patentierbare Gegenstände enthalten und sollte nicht als Stand der Technik angesehen werden.
HINTERGRUND
Die Nachfrage nach drahtloser Kommunikation mit hoher Datenrate wächst ständig. Um die Datenrate zu erhöhen, müssen sowohl die Linearität als auch die Bandbreite der Schaltungen in Hochfrequenzsendern erhöht werden. Dies führt zu einem steigenden Stromverbrauch der dazugehörigen Mobiltelefone und Basisstationen, da es einen inhärenten Kompromiss zwischen Linearität und Leistungseffizienz in den Leistungsverstärkern (PA) gibt, die typischerweise der stromaufwendigste Teil des gesamten Hochfrequenzsenders sind.
Die vorliegende Erfindung löst den Zielkonflikt zwischen Linearität und Leistungseffizienz und ermöglicht gleichzeitig eine Modulation mit hoher Bandbreite.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Zielkonflikt zwischen Linearität und Leistungseffizienz zu verbessern. Hierbei kann eine gleichzeitige Modulation hoher Bandbreite bereitgestellt werden.
KURZFASSUNG
Diese Kurzfassung dient dazu, eine Auswahl von Merkmalen und Konzepten von Ausführungsformen der Erfindung vorzustellen, die weiter unten in der Beschreibung erläutert werden. Diese Kurzfassung soll nicht dazu dienen, wichtige oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch soll sie dazu dienen, den Umfang des beanspruchten Gegenstands zu begrenzen.
Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Konkret wird die Aufgabe durch einen Mehrfach-Stufen-Linearverstärker mit nichtlinearen Komponenten (auch MLINC genannt) für einen Hochfrequenzsender oder eines Hochfrequenzsenders gelöst.
Der MLINC umfasst einen ersten Ausphasungs-Verstärker. Der erste Ausphasungs-Verstärker ist ausgebildet, einen ersten Satz an Eingangssignalen entgegenzunehmen. Der erste Ausphasungs-Verstärker ist ausgebildet, ein erstes Zwischensignal bereitzustellen. Das erste Zwischensignal kann allein auf dem ersten Satz an Eingangssignalen basieren. Das erste Zwischensignal hat eine stufenförmige Hüllkurve. Die Stufenform bzw. die Hüllkurve des ersten Zwischensignals hängt von einem (ersten) gesteuerten Teil einer (ersten) Phasenmodulation in dem ersten Satz an Eingangssignalen ab.
Der MLINC umfasst einen zweiten Ausphasungs-Verstärker. Der zweite Ausphasungs-Verstärker ist ausgebildet, einen zweiten Satz an Eingangssignalen entgegenzunehmen. Der zweite Ausphasungs-Verstärker ist ausgebildet ein zweites Zwischensignal bereitzustellen. Das zweite Zwischensignal kann allein auf dem zweiten Satz an Eingangssignalen basieren. Das zweite Zwischensignal hat eine stufenförmige Hüllkurve. Die Stufenform bzw. die Hüllkurve des zweiten Zwischensignals hängt von einem (zweiten) gesteuerten Teil einer (zweiten) Phasenmodulation in dem zweiten Satz an Eingangssignalen abhängt.
Der MLINC umfasst eine Kombiniereinrichtung. Die Kombiniereinrichtung ist ausgebildet, das erste und zweite Zwischensignal zu einem (insbesondere gemeinsamen) Ausgangssignal zu kombinieren. Das Ausgangssignal hat eine aufgrund einer Phasensymmetrie des ersten und zweiten Zwischensignals linearisierte Hüllkurve.
Die Erfindung hat den Vorteil, ein verbesserter Kompromiss zwischen Linearität und Leistungseffizienz des MLINC bereitstellen zu können. Zusätzlich kann hierdurch eine Modulation hoher Bandbreite bereitgestellt werden.
Es ist insbesondere hierin zu verstehen, dass die jeweiligen Eingangssignale bereits durch die (z.B. jeweils erste und zweite) Phasenmodulation phasenmoduliert sind, bevor sie durch den hierin beschriebenen MLINC entgegengenommen werden. Innerhalb des hierin beschriebenen MLINC kann zum Beispiel keine (weitere) Modulation, nämlich Amplitudenmodulation oder Phasenmodulation, vorgesehen sein.
Die Phasensymmetrie des ersten und zweiten Zwischensignals kann so verstanden werden, dass die (erste und zweite) Phasenmodulation so eingestellt wird, dass der erste und zweite Ausphasungs-Verstärker am Ausgang zwar betragsgleiche aber voneinander verschiedene Phasenverschiebungen, also gegenläufige Phasenverschiebungen, aufweisen.
Der erste Satz an Eingangssignalen kann sich in Phase und/oder Amplitude von dem zweiten Satz an Eingangssignalen so unterscheiden, dass die beiden Zwischensignale betragsmäßig gleich sind. Zum Beispiel können der erste und zweite Satz an Eingangssignalen symmetrisch, aber gegenläufig, zum Beispiel mittels entgegengesetzter Ausphasungs-Winkel, phasenverschoben sein. Auch können die Eingangssignale des ersten Satzes an Eingangssignalen symmetrisch, aber gegenläufig, zum Beispiel mittels entgegengesetzten ersten und zweiten gesteuerten Teilen der (ersten) Phasenmodulation, phasenverschoben sein. Dasselbe kann für die Eingangssignale des zweiten Satzes an Eingangssignalen gelten. Diese können symmetrisch, aber gegenläufig, zum Beispiel mittels entgegengesetzten ersten und zweiten gesteuerten Teilen der (zweiten) Phasenmodulation, phasenverschoben sein.
Die Stufenform bzw. die stufenförmige Hüllkurve kann so verstanden werden, dass sich durch den gesteuerten Teil der Phasenmodulation ein dediziertes Hüllkurvenniveau einstellen lässt. Der gesteuerte Teil kann im ersten und zweiten Satz an Eingangssignalen jeweils gleich sein. Insbesondere kann der erste und zweite gesteuerte Teil, zum Beispiel jeweils, gleich sein. Hierbei kann unter dem Begriff „gesteuert“ verstanden werden, dass eine Programmierung im Betrieb oder vor dem Betrieb des MLINC in dem Hochfrequenzsender erfolgt. Dies kann in einem Beispiel im Sinne eines Software Defined Radios oder anderer unten erwähnter Prozessoreinheiten durchgeführt werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Eingangssignale des ersten und zweiten Satzes an Eingangssignalen können gleiche Amplituden aufweisen.
Hierdurch lässt sich die Verschaltung des MLINC bzw. des Hochfrequenzsenders vereinfachen. Kosten können eingespart werden.
Die Eingangssignale des ersten Satzes an Eingangssignalen können dieselbe (erste) konstante Hüllkurve aufweisen. Die Eingangssignale des zweiten Satzes an Eingangssignalen können dieselbe (zweite) konstante Hüllkurve aufweisen. Die Eingangssignale des ersten und zweiten Satzes an Eingangssignalen können dieselbe (erste und zweite) konstante Hüllkurve aufweisen.
Hierdurch lässt sich ebenfalls die Verschaltung des MLINC bzw. des Hochfrequenzsenders vereinfachen und dadurch Betriebskosten eingespart werden.
Der erste Satz an Eingangssignalen und der zweite Satz an Eingangssignalen kann phasenmodulierte Eingangssignale enthalten. Zum Beispiel können die Eingangssignale des ersten und zweiten Satzes an Eingangssignalen rein, also ausschließlich, phasenmoduliert sein.
Hierdurch können ebenfalls Kosten für die Verschaltung eingespart werden. Ebenso kann hierdurch die Systemperformanz erhöht werden.
Der gesteuerte Teil der Phasenmodulation in dem ersten Satz an Eingangssignalen kann gleich dem gesteuerten Teil der Phasenmodulation in dem zweiten Satz an Eingangssignalen sein.
Hierdurch lässt sich eine Schaltungssymmetrie verbessern und der Schaltungsaufwand verringern.
Der erste Ausphasungs-Verstärker und der zweite Ausphasungs-Verstärker können nichtisolierende Ausphasungs-Verstärker sein.
Hierdurch kann eine wirksame Verkopplung in den jeweiligen Ausphasungs-Verstärkern sichergestellt werden, wodurch eine symmetrische Phasenanpassung erleichtert werden kann.
Der erste Ausphasungs-Verstärker und der zweite Ausphasungs-Verstärker können jeweils (z.B. zwei) Eingangsknoten und einen Ausgangsknoten aufweisen. Die Eingangsknoten können die Eingänge des MLINC bilden. Ferner können der erste und zweite Ausphasungs-Verstärker jeweils einen Chireix-Kombinierer aufweisen. Jeder der Chireix-Kombinierer kann passive Bauelemente aufweisen. Die passiven Bauelemente können zueinander komplementär sein. Die passiven Bauelemente können komplex konjugierte Admittanzen aufweisen. Jeder der Chireix-Kombinierer kann auf eine Trägerfrequenz λ des Hochfrequenzsenders bezogene λ/4 Leitungen aufweisen.
Die auf die Trägerfrequenz λ des Hochfrequenzsenders bezogenen λ/4 Leitungen können jeweils zwischen dem Ausgangsknoten und einem Entsprechenden der Eingangsknoten geschaltet sein. Die passiven Bauelemente können jeweils zwischen einem Entsprechenden der Eingangsknoten und Masse geschaltet sein. Dabei können die auf die Trägerfrequenz λ des Hochfrequenzsenders bezogenen λ/4 Leitungen und die passiven Bauelemente jeweils einen gemeinsamen Verbindungsknoten haben.
Alternativ können die auf die Trägerfrequenz λ des Hochfrequenzsenders bezogenen λ/4 Leitungen und die passiven Bauelemente jeweils in Serie hintereinander in Signalrichtung verschaltet sein, zum Beispiel zwischen jeweiligen Eingangsknoten und Ausgangsknoten. Dabei können die auf die Trägerfrequenz λ des Hochfrequenzsenders bezogenen λ/4 Leitungen und die passiven Bauelemente jeweils den gemeinsamen Verbindungsknoten haben.
In einer Alternative kann, z.B. statt dem Chireix-Kombinierer, eine jeweilige nichtisolierende Kombiniererstruktur verwendet werden. Die jeweilige nicht-isolierende Kombiniererstruktur kann ausgebildet sein, eine Lastimpedanz des jeweiligen Verstärkerelements über eine Phase des jeweiligen Eingangssignals zu ändern. Als Beispiel kann die nicht-isolierende Kombiniererstruktur der Struktur T'_2p in 9 aus IEEE Transactions On Circuits And Systems-I: Regular Papers, Vol. 64, No. 5, May 2017; Özen et al.: „A Generalized Combiner Synthesis Technique for Class-E Outphasing Transmitters“ entsprechen.
Die Kombiniereinrichtung kann (zwei) Eingangsknoten aufweisen. Die Eingangsknoten der Kombiniereinrichtung können jeweils mit einem der Ausgangsknoten des ersten und zweiten Ausphasungs-Verstärkers verbunden sein. Die Kombiniereinrichtung kann einen Ausgangsknoten aufweisen. Der Ausgangsknoten kann einen Ausgang des MLINC bilden. Die Kombiniereinrichtung kann einen isolierenden Leistungskombinierer aufweisen. Der isolierende Leistungskombinierer kann ein Wilkinson-Kombinierer sein. Der Leistungskombinierer kann ein Widerstandselement aufweisen. Das Widerstandselement kann zwischen den (zwei) Eingangsknoten der Kombiniereinrichtung geschaltet sein. Der Leistungskombinierer kann auf die Trägerfrequenz λ des Hochfrequenzsenders bezogene λ/4 Leitungen aufweisen. Die auf die Trägerfrequenz λ des Hochfrequenzsenders bezogene λ/4 Leitungen können jeweils zwischen dem Ausgangsknoten der Kombiniereinrichtung und den (zwei) Eingangsknoten der Kombiniereinrichtung geschaltet sein.
Der MLINC kann eine integrierte Schaltung sein, zum Beispiel ein Chip. Der MLINC kann zumindest teilweise in Streifenleitungstechnik hergestellt sein. Zum Beispiel können die verwendeten Streifenleitungen eine Mikrostreifenleitung, symmetrische Streifenleitung, Koplanarleitung, oder symmetrisch/unsymmetrisch Doppelbandleitung umfassen. So können die für die auf die Trägerfrequenz λ des Hochfrequenzsenders bezogenen λ/4 Leitungen jeweils eine im Wesentlichen gleiche Leitungsbreite aufweisen. Die Streifenleitungstechnik kann auf ein Z₀ - System, zum Beispiel 50 Ohm-System, angepasst sein, so dass die auf die Trägerfrequenz λ des Hochfrequenzsenders bezogenen λ/4 Leitungen (zumindest des Leistungskombinierers) jeweils $\sqrt{2}$
Z₀, zum Beispiel in etwa 71 Ohm, aufweisen können. Die Leitungsbreite bzw. der Wellenwiderstand der jeweiligen auf die Trägerfrequenz λ des Hochfrequenzsenders bezogenen λ/4 Leitungen können auf einen Wellenwiderstandswert, $\sqrt{2}$
Z₀, zum Beispiel den in etwa 71 Ohm, festgelegt sein. Zum Beispiel können die jeweiligen auf die Trägerfrequenz λ des Hochfrequenzsenders bezogenen λ/4 Leitungen (zumindest der Chireix-Kombinierer) auf einen Wellenwiderstandswert, Z₀, zum Beispiel in etwa 50 Ohm, festgelegt sein.
Der Wellenwiderstand der Streifenleitungen kann von einem für den MLINC verwendeten Streifenleitungssubstrat und/oder einer Streifenleitungsbreite abhängen bzw. entsprechend angepasst sein. Der oben genannte Widerstand des Leistungskombinierers kann einen Widerstandswert von 2Z₀, also zum Beispiel 100 Ohm, aufweisen.
So kann eine einfache Schaltungsanordnung bereitgestellt werden, die kostengünstig herstellbar ist.
Der erste Ausphasungs-Verstärker kann einen ersten Satz an Verstärkerelementen aufweisen. Der zweite Ausphasungs-Verstärker kann einen zweiten Satz an Verstärkerelementen aufweisen. Der erste Satz an Verstärkerelementen kann gleiche Verstärkerelemente in Anzahl und/oder Art aufweisen. Der zweite Satz an Verstärkerelementen kann gleiche Verstärkerelemente in Anzahl und/oder Art aufweisen. Der erste Satz an Verstärkerelementen und der zweite Satz an Verstärkerelementen kann gleiche Verstärkerelemente in Anzahl und Art aufweisen.
Somit kann die Symmetrie und der Schaltungsaufwand des MLINC verbessert werden.
Ein jeweiliges Verstärkerelement des ersten und zweiten Satzes an Verstärkerelementen kann einem Entsprechenden der Eingangsknoten der ersten und zweiten Ausphasungs-Verstärker in Signalrichtung nachgelagert sein. Zum Beispiel kann ein jeweiliges Verstärkerelement des ersten und zweiten Satzes an Verstärkerelementen zwischen einem Entsprechenden der Eingangsknoten der ersten und zweiten Ausphasungs-Verstärker und einem Entsprechenden der passiven Bauelemente des ersten und zweiten Chireix-Kombinierers geschaltet sein. So kann ein jeweiliges Verstärkerelement zwischen einem entsprechenden Eingangsknoten und einem Entsprechenden Verbindungsknoten eines des ersten und zweiten Ausphasungs-Verstärkers geschaltet sein.
Somit ergibt sich eine optimierte Ausphasungsstruktur.
In einem Beispiel kann eine Spannungsversorgung für die Verstärkerelemente der ersten und zweiten Ausphasungs-Verstärker bereitgestellt werden. Die Spannungsversorgung kann symmetrisch sein. Zum Beispiel kann die Spannungsversorgung für alle Verstärkerelemente der ersten und zweiten Ausphasungs-Verstärker gleich sein, insbesondere eine gleiche Leistung/Spannung liefern. Eine Anordnung von Spannungsversorgungspunkten kann für alle Verstärkerelemente der ersten und zweiten Ausphasungs-Verstärker ebenfalls gleich sein.
Einzelne Schaltungsblöcke, zum Beispiel der erste und/oder zweite Ausphasungs-Verstärker, und/oder der Leistungskombinierer des MLINC können schaltungssymmetrisch angeordnet sein.
Eine vereinfachte Schaltung kann hierdurch bereitgestellt werden.
Alle Eingangssignale können einen Informationsteil enthalten, der die zu übertragenden Daten abbildet.
Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrfach-Stufen-Linearverstärkers mit nichtlinearen Komponenten (MLINC) eines Hochfrequenzsenders oder für einen Hochfrequenzsender gelöst.
Das Verfahren umfasst Entgegennehmen eines ersten und zweiten Satzes an Eingangssignalen. Das Entgegennehmen erfolgt vorzugsweise gleichzeitig.
Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines ersten und zweiten Zwischensignals mit jeweils stufenförmiger Hüllkurve, die von einem gesteuerten Teil einer Phasenmodulation in einem Entsprechenden des ersten und zweiten Satzes an Eingangssignalen abhängt. Das Bereitstellen erfolgt vorzugsweise gleichzeitig. Der erste Satz an Eingangssignalen wird vorzugsweise zu einem einzelnen gemeinsamen ersten Zwischensignal bereitgestellt. Der zweite Satz an Eingangssignalen wird vorzugsweise zu einem einzelnen gemeinsamen zweiten Zwischensignal bereitgestellt.
Das Verfahren umfasst Kombinieren des ersten und zweiten Zwischensignals zu einem gemeinsamen Ausgangssignal, das eine aufgrund einer Phasensymmetrie des ersten und zweiten Zwischensignals linearisierte Hüllkurve aufweist. Das Kombinieren erfolgt vorzugsweise gleichzeitig. Die ersten und zweiten Zwischensignale werden vorzugsweise zu einem einzelnen gemeinsamen Ausgangssignal kombiniert.
Mit anderen Worten betrifft die Erfindung den Einsatz hocheffizienter, nichtisolierender PAs in einer mehrstufigen LINC-Architektur. Dadurch kann die Sendewellenform nur durch Phasenmodulation gesteuert werden. Dieser Ansatz vergrößert die mögliche Modulationsbandbreite und macht die Signalerzeugung deutlich einfacher und billiger im Vergleich zum Stand der Technik. Insbesondere kann der hierin vorgestellt Hochfrequenzsender in Mobilfunknetzinfrastruktur oder Mobiltelefonen verbaut sein.
Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf den MLINC zutreffen. Genauso können die voranstehend in Bezug auf den MLINC beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf das Verfahren zutreffen.
Es ist dem Fachmann klar, dass die hierin dargelegten Erklärungen unter Verwendung von Hardwareschaltungen, Softwaremitteln oder einer Kombination davon implementiert sein können. Die Softwaremittel können im Zusammenhang stehen mit programmierten Mikroprozessoren, ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen) und/oder DSPs (digitale Signalprozessoren).
In einem Beispiel kann der MLINC und der Hochfrequenzsender zumindest teilweise als Computer, Logikschaltung, FPGA (Feld programmierbare Logik-Gatter-Anordnung), Mikroprozessor, Mikrocontroller, Vektorprozessor, prozessorintegrierter Kern, CPU (z.B. mit mehreren Kernen), Koprozessor (Mikroprozessor zur Unterstützung der CPU), GPU (Grafikprozessoreinheit) und/oder DSP realisiert sein.
In dem MLINC und dem Hochfrequenzsender im Allgemeinen können beispielsweise Verfahren angewendet werden, die im Zusammenhang mit Pipelining der zu übertragenden Daten bzw. der entsprechenden Anteile wie dem Informationsteil, dem gesteuerten Teil und/oder den anderen in der detaillierten Beschreibung angeführten Teile der Phasenmodulation stehen. Hierbei wird statt eines gesamten Befehls in einem Taktzyklus des in dem MLINC oder dem Hochfrequenzsender verwendeten Prozessors nur eine Teilaufgabe davon, z.B. ein Teil der zu übertragenden Daten oder auch ein oder mehrere Teile der Phasenmodulation, abgearbeitet. Dabei werden die verschiedenen Teilaufgaben mehrerer Befehle gleichzeitig abgearbeitet. Ferner können hierbei Verfahren im Sinne von Multithreading auf den zu übertragenden Daten oder auf den einen oder mehreren Teilen der Phasenmodulation und Weiterentwicklungen davon angewandt werden, zum Beispiel Simultaneous Multithreading der zu übertragenden Daten oder der einen oder mehreren Teile der Phasenmodulation. Damit lässt sich eine bessere Auslastung der Prozessoren aufgrund paralleler Verwendung mehrerer Prozessorkerne erzielen. Der in dem MLINC oder dem Hochfrequenzsender enthaltene Prozessor kann dabei mit einem Pufferspeicher des MLINC oder des Hochfrequenzsenders verbunden sein, der die zu übertragenden Daten bzw. die einen oder mehreren Teile der Phasenmodulation zeitweise vor und/oder nach der Abarbeitung der zu übertragenden Daten bzw. des Teils davon, oder der einen oder mehreren Teile der Phasenmodulation speichern kann. Der Pufferspeicher kann in einer flüchtigen Speichervorrichtung des MLINC oder des Hochfrequenzsenders, z.B. einem DRAM, oder einer nichtflüchtigen Speichervorrichtung des MLINC oder des Hochfrequenzsenders, z.B. einer SSD, integriert sein. Hierdurch kann eine Performanz des MLINC oder des Hochfrequenzsenders erhöht werden.
Sofern nicht anders definiert, haben alle vorliegend verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die Bedeutung, die dem allgemeinen Verständnis des Fachmanns auf dem für die vorliegende Offenbarung relevanten Fachgebiet der Hoch- bzw. Höchstfrequenztechnik entspricht; sie sind weder zu breit noch zu eng zu fassen. Werden vorliegend Fachbegriffe unzutreffend verwendet und bringen so den technischen Gedanken der vorliegenden Offenbarung nicht zum Ausdruck, sind diese durch Fachbegriffe zu ersetzen, die dem Fachmann ein richtiges Verständnis vermitteln. Die vorliegend verwendeten allgemeinen Begriffe sind auf der Grundlage der im Lexikon zu findenden Definition oder dem technischen Jargon entsprechend auszulegen.
Obwohl Begriffe wie „erster“ oder „zweiter“ usw. evtl. zur Beschreibung verschiedener Komponenten verwendet werden, sind diese Komponenten nicht auf diese Begriffe zu beschränken. Mit den obigen Begriffen soll lediglich eine Komponente von der anderen unterschieden werden. Beispielsweise kann eine erste Komponente als zweite Komponente bezeichnet werden und eine zweite Komponente als erste Komponente bezeichnet werden.
Heißt es vorliegend, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „verbunden ist“ oder damit „kommuniziert, kann dies heißen, dass sie damit direkt verbunden ist oder kommuniziert; hierbei ist aber anzumerken, dass eine weitere Komponente dazwischenliegen kann. Heißt es andererseits, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „direkt verbunden“ ist oder damit „direkt kommuniziert“, ist darunter zu verstehen, dass dazwischen keine weiteren Komponenten vorhanden sind.
Die hierin beschriebenen Verfahrensschritte sollten hierin nicht so ausgelegt werden, dass sie in einer bestimmten Reihenfolge erfolgen müssen, es sei denn, es wird ausdrücklich oder implizit etwas anderes angegeben, beispielsweise wenn diese Verfahrensschritte aus technischen Gründen nicht getauscht werden können. Auch können die hierin beschriebenen Verfahrensschritte direkt, nacheinander, fortlaufend und/oder sukzessive durchgeführt werden. Es können jedoch auch andere Verfahrensschritte dazwischen liegen.
Figurenliste
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Die gleichen oder ähnlichen Elemente in den Zeichnungen sind immer mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Detaillierte Erklärungen von bekannten Funktionen und Strukturen werden weggelassen, sofern sie von der Erfindung ablenken.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
In diesen zeigen:

1 eine Ansicht eines MLINC;
2 eine Ansicht eines Eingangssignals des MLINC;
3 eine Ansicht eines Zwischensignals des MLINC;
4 eine Ansicht des Ausgangssignals des MLINC;
5 eine Vergleichsansicht zwischen dem MLINC und einem herkömmlichen Chireix-Verstärker; und
6 eine Ansicht eines Verfahrens zum Betrieb des MLINC.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Der MLINC 1 und das Verfahren S60 dazu werden nun in Bezug auf die Ausführungsformen beschrieben. Ohne darauf festgelegt zu sein, werden spezifische Details erläutert, um ein tieferes Verständnis der Erfindung bereitzustellen.
Um die Datenrate bei drahtloser Kommunikation zu erhöhen, muss entweder die Modulationsordnung oder die Modulationsbandbreite erhöht werden. Eine hohe Modulationsordnung erfordert Schaltungen mit hoher Linearität und eine hohe Modulationsbandbreite erfordert Schaltungen mit hoher Bandbreite. Beide Anforderungen müssen von leistungsstarken Hochfrequenz (HF)-Leistungsverstärkern (PA) erfüllt werden. Bei der Entwicklung von HF-PAs für Mobiltelefone und Basisstationen besteht ein inhärenter Zielkonflikt zwischen Linearität und Effizienz.
Moderne Kommunikationsstandards mit hoher Datenrate erfordern eine lineare Verstärkung des Sendesignals, um komplexe Modulationsformate wie QAM und OFDM verwenden zu können. Um das Verhältnis von Spitzenleistung zu mittlerer Leistung bei diesen Modulationsformaten zu erreichen, müssen die Leistungsverstärker von ihrer maximalen Ausgangsleistung heruntergefahren werden, was zu einer schlechten Leistungseffizienz führt. Typischerweise, sind die Leistungsverstärker einer der leistungshungrigsten Komponenten des Hochfrequenzsenders, da sie das Hochleistungssignal für die Abstrahlung erzeugen. Daher führt eine Erhöhung der Leistungseffizienz der Leistungsverstärker zu einer längeren Akkulaufzeit der Mobiltelefone und niedrigeren Kosten für den Betrieb der Basisstationen von Mobilfunknetzen.
Ein solcher Kompromiss zwischen Linearität und Effizienz wird durch den MLINC 1 aus 1 erreicht, das die lineare Verstärkung mit nichtlinearen Komponenten (LINC) nutzt, um eine lineare Verstärkung zu gewährleisten und die Effizienz durch die Einführung diskreter Amplitudenstufen (vgl. 3) herzustellen.
1 zeigt dazu eine schematische Abbildung eines MLINC 1 mit Kombiniereinrichtung, wie einen Wilkinson-Kombinierer. Die Amplitudenstufen werden hierin insbesondere nicht durch Änderung der Versorgungsspannung oder der Eingangsamplitude der PAs erzeugt. Um eine lineare Verstärkung bei erhöhter Modulationsbandbreite zu gewährleisten, müssen die Steuerung der Stufen und die Steuerung des Ausphasungswinkels (hierin auch Ausphasungsteil genannt) synchronisiert sein. Die Steuerung der Stufen und die Steuerung des Ausphasungswinkels erfolgt hierin nicht über zwei unterschiedliche Pfade, was die Synchronisation erschweren und die maximale Modulationsbandbreite begrenzen würde. Hierin wird die Steuerung in der Phasenmodulation vorgenommen und somit ist die Effizienz nicht auf die maximale Effizienz zum Beispiel eines herkömmlichen Doherty-Verstärkers beschränkt. Durch die reine Phasenmodulation ohne Amplitudenmodulation können lineare Treiberstufen (mit schlechter Effizienz) entfallen.
Der MLINC 1 verwendet nicht-isolierende Ausphasungs-Verstärker 2 und 3 um die Stufen für den MLINC 1 zu erzeugen. Die Stufen werden durch einen diskreten Satz von Phasen gesteuert, die vor dem Betrieb kalibriert werden können. Zwischen zwei Stufen wird die Ausgangsamplitude über LINC linear gesteuert. Auf diese Weise kann die Ausgabe über den gesamten Dynamikbereich linear gesteuert werden. 1 zeigt die Implementierung des Stufengenerators durch zwei Ausphasungs-Verstärker 2 und 3, vorzugsweise Chireix-Verstärker, die allerdings generell durch jede nicht isolierende Ausphasungs-Verstärker-Struktur realisiert sein können. Hierzu zeigen 2 bis 4 typische Wellenformen für entsprechende Signale an unterschiedlichen Abgriffpunkten (Eingangs- bzw. Ausgangsknoten) des MLINC 1 mit einem beliebigen 4-Stufen-Design (vgl. 3). Die Architektur des MLINC 1 ermöglicht es, dass sowohl der Ausphasungsteil ϕ_o als auch der oder die Stufeneinstellungsteil(e) θ_c1 - θ_c2 durch dieselben an die Verstärkerelemente PA₁₁ - PA₂₂ bereitgestellten phasenmodulierten Eingangssignale S₁₁ - S₂₂ gesteuert werden und sie daher von vornherein synchronisiert sind, was eine breitbandige Modulation ermöglicht. Darüber hinaus sind die nichtisolierenden Ausphasungs-Verstärker 2 und 3 potenziell effizienter als Doherty-Verstärker und daher ist der MLINC 1 effizienter als ein herkömmlicher Doherty MLINC. Dies wird in 5 deutlich, die Wirkungsgradkurven für ein beliebiges 21-Stufen-Design des MLINC1 einer herkömmlichen Chireix-Verstärkerschaltung gegenüberstellt. Hieran kann der hohe Wirkungsgrad des hierin beschriebenen MLINC 1 erkennen.
6 beschreibt das Verfahren S60 zum Betrieb des MLINC 1 aus 1. Hierbei umfasst das Verfahren S60 das Entgegennehmen S61 eines ersten Satzes an Eingangssignalen S₁₁ und S₁₂, mit S₁₁ = c₁₁ e^{j(θ+θo+θc1)} und S₁₂ = c₁₂ e^{j(θ+θo-θc1)}, und eines zweiten Satzes an Eingangssignalen S₂₁ und S₂₂, mit S₂₁ = c₂₁ e^{j(θ-θo+θc2)} und S₂₂ = c₂₂ e^{j(θ-θo-θc2)}. In einem Beispiel können sowohl die konstanten Eingangsanteile c₁₁, c₁₂, c₂₁ und c₂₂ gleich sein. In diesem Beispiel können die Stufeneinstellungsteile θ_c1 und θ_c2 auch gleich sein.
Bei S62 werden die jeweiligen Signale S₁₁ bis S₂₂ (vgl. Signalkurve in 2) von den jeweiligen Verstärkerelementen PA₁₁ bis PA₂₂ der Ausphasungs-Verstärker 2 und 3 verstärkt. Dabei werden mittels Chireix-Kombinierer 4 und 5 aus den verstärkten Signalen des ersten und zweiten Satzes an Eingangssignalen S₁₁ bis S₂₂ jeweils erste und zweite Zwischensignale S1 und S2 bereitgestellt, mit S₁ = A_lvl1(θ_c1)e^j(ϕ+ϕo) und S₂ = A_lvl2(θ_c2)e^j(ϕ-ϕo). Die ersten und zweiten Zwischensignale S₁ und S₂ haben jeweils eine stufenförmige Hüllkurve, mit den Amplituden der Zwischensignale A_lvl1(θ_c1) und A_1v12(θ_c2). Die Hüllkurve hängt dabei von einem gesteuerten Teil θ_c1 und/oder θ_c2 einer Phasenmodulation in den Eingangssignalen S₁₁ bis S₂₂ ab. Hierfür wird ein Chireix-Kombinierer 4 und 5 verwendet, der jeweils zwei komplex konjugierte passive Bauelemente mit jeweiligen Admittanzbeträgen B und daran angeschlossene λ/4 Leitungen aufweist.
Bei S63 werden das erste und zweite Zwischensignal S₁ und S₂ zu einem Ausgangssignal S_out kombiniert, mit S_out = Ae^j(ϕ). Die Kombination erfolgt über die Kombiniereinrichtung 6, die in 1 ein Wilkinson-Kombinierer mit Widerstand R zur Isolation und zwei λ/4 Leitungen aufweist. Das Ausgangssignal S_out hat eine aufgrund einer Phasensymmetrie des ersten und zweiten Zwischensignals S₁ und S₂ linearisierte Hüllkurve (vgl. e^j(ϕo) und e^j(-ϕo)).
Zum besseren Verständnis der Erfindung sind die Anteile der Phasenmodulation im Folgenden wiedergegeben. Diese Anteile werden hierin als Teile der Phasenmodulation beschrieben und stellen entsprechende auf die Zeit normierte Phasenwinkel dar. Der Ausgangsphasensteuerungsteil θ stellt den Anteil zur Steuerung der Ausgangsphase dar, mit θ = ϕ + ϕ_lvl,cm, wobei ϕ die Phaseninformation des zu übertragenden Symbols darstellt, also den Informationsteil der zu übertragenden Daten. ϕ=_lvl,cm bildet dabei den Phasenausgleich der stufenabhängigen Phasenverzerrung, die für die beiden Ausphasungs-Verstärker 2 und 3 gleich (common mode) ist. θ_o stellt einen Ausgangsamplitudensteuerungsteil dar, der die Ausgangsamplitude A einstellt, mit θ_ο= ϕ_o + ϕ_lvl,dm, wobei ϕ_o der Ausphasungsteil am Eingang der isolierenden Kombiniereinrichtung 6 darstellt. ϕ_lvl,dm bildet dabei den Phasenausgleich der stufenabhängigen Phasenverzerrung, die für die beiden Ausphasungs-Verstärker 2 und 3 unterschiedlich (differential mode) ist.
Da sowohl die Steuerung der Stufen A_lvl1 - A_lvl2 als auch des Ausphasungswinkels bzw. Ausphasungsteils ϕ_o durch ein phasenmoduliertes Signal erfolgt, wird die gesamte Signalerzeugung vereinfacht, da die HF-Schaltkreise nur noch konstante Hüllkurvensignale verarbeiten müssen.
Aufgrund der im vorangegangenen Abschnitt beschriebenen Vorteile ermöglicht diese Erfindung eine breitbandigere Modulation bei höherer Leistungseffizienz und vereinfacht gleichzeitig die Signalerzeugung. Dadurch kann die Datenrate von drahtlosen Kommunikationsstandards erhöht und der Stromverbrauch der Hochfrequenzsender reduziert werden.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichenliste

1: MLINC
2: Erster Ausphasungs-Verstärker
3: Zweiter Ausphasungs-Verstärker
4: Erster Chireix-Kombinierer
5: Zweiter Chireix-Kombinierer
6: Kombiniereinrichtung
B: Admittanzbetrag
R: Widerstand
PA11 - PA12: Verstärkerelemente
S11 - S12: Erster Satz an Eingangssignalen
S21 - S22: Zweiter Satz an Eingangssignalen
S1: Erstes Zwischensignal
S2: Zweites Zwischensignal
c11 - c22: konstante Eingangsanteile
Alvl1 - Alvl2: Amplituden der Zwischensignale
A: Ausgangsamplitude
θ: Ausgangsphasensteuerungsteil
θo: Ausgangsamplitudensteuerungsteil
θc1 - θc2: Stufeneinstellungsteile
ϕ: Informationsteil
ϕo: Ausphasungsteil

Claims

Ein Mehrfach-Stufen-Linearverstärker mit nichtlinearen Komponenten, MLINC (1), für einen Hochfrequenzsender, der MLINC (1) umfassend: einen ersten Ausphasungs-Verstärker (2), der ausgebildet ist, einen ersten Satz an Eingangssignalen (S₁₁, S₁₂) entgegenzunehmen und ein erstes Zwischensignal (S₁) mit stufenförmiger Hüllkurve bereitzustellen, die von einem gesteuerten Teil (θ_c1) einer Phasenmodulation in dem ersten Satz an Eingangssignalen (S₁₁, S₁₂) abhängt; einen zweiten Ausphasungs-Verstärker (3), der ausgebildet ist, einen zweiten Satz an Eingangssignalen (S₂₁, S₂₂) entgegenzunehmen und ein zweites Zwischensignal (S₂) mit stufenförmiger Hüllkurve bereitzustellen, die von einem gesteuerten Teil (θ_c2) einer Phasenmodulation in dem zweiten Satz an Eingangssignalen (S₂₁, S₂₂) abhängt; und eine Kombiniereinrichtung (6), die ausgebildet ist, das erste und zweite Zwischensignal (S₂) zu einem Ausgangssignal (S_out) zu kombinieren, das eine aufgrund einer Phasensymmetrie des ersten und zweiten Zwischensignals (S₁, S₂) linearisierte Hüllkurve aufweist.
MLINC (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangssignale des ersten und zweiten Satzes an Eingangssignalen (S₁₁, S₁₂, S₂₁, S₂₂) gleiche Amplituden aufweisen.
MLINC (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangssignale des ersten Satzes an Eingangssignalen (S₁₁, S₁₂, S₂₁, S₂₂) und/oder zweiten Satzes an Eingangssignalen (S₁₁, S₁₂, S₂₁, S₂₂) dieselbe konstante Hüllkurve aufweisen.
MLINC (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz an Eingangssignalen (S₁₁, S₁₂) und der zweite Satz an Eingangssignalen (S₂₁, S₂₂) phasenmodulierte Eingangssignale enthält.
MLINC (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesteuerte Teil (θ_c1) der Phasenmodulation in dem ersten Satz an Eingangssignalen (S₁₁, S₁₂) gleich dem gesteuerten Teil (θ_c2) der Phasenmodulation in dem zweiten Satz an Eingangssignalen (S₂₁, S₂₂) ist.
MLINC (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausphasungs-Verstärker (2) und der zweite Ausphasungs-Verstärker (3) nichtisolierende Ausphasungs-Verstärker sind.
MLINC (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausphasungs-Verstärker (2) und der zweite Ausphasungs-Verstärker (3) jeweils Eingänge des MLINC (1) bildende Eingangsknoten und einen Ausgangsknoten aufweist, und ferner jeweils einen Chireix-Kombinierer (4, 5) aufweist, und jeder der Chireix-Kombinierer (4, 5) umfasst: passive Bauelemente, die zueinander komplex konjugierte Admittanzen (jB, jB) aufweisen und jeweils zwischen einem Entsprechenden der Eingangsknoten und Masse geschaltet sind; und/oder auf eine Trägerfrequenz λ des Hochfrequenzsenders bezogene λ/4 Leitungen, die jeweils zwischen dem Ausgangsknoten und einem Entsprechenden der Eingangsknoten geschaltet sind.
MLINC (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombiniereinrichtung (6) Eingangsknoten, die jeweils mit einem der Ausgangsknoten des ersten und zweiten Ausphasungs-Verstärkers (3) verbunden sind, einen Ausgang des MLINC (1) bildenden Ausgangsknoten und einen isolierenden Leistungskombinierer aufweist.
MLINC (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausphasungs-Verstärker (2) einen ersten Satz an Verstärkerelementen (PA₁₁, PA₁₂) und der zweite Ausphasungs-Verstärker (3) einen zweiten Satz an Verstärkerelementen (PA₂₁, PA₂₂) aufweist, und der erste Satz an Verstärkerelementen (PA₁₁, PA₁₂) und/oder der zweite Satz an Verstärkerelementen (PA₂₁, PA₂₂) gleiche Verstärkerelemente in Anzahl an Verstärkerelementen und/oder Art an Verstärkerelementen aufweist.
Verfahren (S60) zum Betreiben eines Mehrfach-Stufen-Linearverstärkers mit nichtlinearen Komponenten, MLINC (1), für einen Hochfrequenzsender, das Verfahren (S60) umfassend: Entgegennehmen (S61) eines ersten und zweiten Satzes an Eingangssignalen (S₁₁, S₁₂, S₂₁, S₂₂); Bereitstellen (S62) eines ersten und zweiten Zwischensignals (S₁, S₂) mit jeweils stufenförmiger Hüllkurve, die von einem gesteuerten Teil (θ_c1, θ_c2) einer Phasenmodulation in einem Entsprechenden des ersten und zweiten Satzes an Eingangssignalen (S₁₁, S₁₂, S₂₁, S₂₂) abhängt; und Kombinieren (S63) des ersten und zweiten Zwischensignals (S₁, S₂) zu einem Ausgangssignal (S_out), das eine aufgrund einer Phasensymmetrie des ersten und zweiten Zwischensignals (S₁, S₂) linearisierte Hüllkurve aufweist.