HF-Leistungsverstärker GaN- und SiC-Leistungsverstärker für 5G

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Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Hochfrequenzsysteme benötigen Leistungsverstärker mit hoher linearer Ausgangsleistung. Mit der Umstellung auf Modulationsverfahren höherer Ordnung müssen die Systeme auch zwischen Spitzen- und Durchschnittsleistung eine hohe Linearität und Effizienz bieten. Hier bieten sich GaN-on-SiC-MMIC-PA an.

Die größten Wachstumschancen und Herausforderungen für HF-Leistungsverstärker liegen in der Satellitenkommunikation sowie in den aufkommenden 5G-Kommunikationslösungen. Die NASA hat es privaten Unternehmen ermöglicht, Tausende von LEO-Satelliten (LEO: Low-Earth-Orbit, Satelliten auf einer niedrigen Umlaufbahn) in den Weltraum zu schicken, die nun die Erde umkreisen und Breitband-Internetzugang, Navigation, Meeresüberwachung, Fernerkundung und andere Dienste bereitstellen.

Diese HF-Anwendungen streben stets nach sogeannten SWaP-C-Vorteilen. SWaP-C steht für „Size, Weight, Power and Cost“. Folglich geht es hier um Vorteile bei Größe bzw. Bauvolumen, Gewicht bzw. Masse, (Verlust-)Leistung und Kosten. Große Parabolantennen werden durch Phased-Array-Antennen für die Satellitenkommunikation ersetzt, die kleinere Komponenten für die Integration erfordern, die zudem noch eine geringere Masse aufweisen sollen.

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Eine hohe HF-Leistung, die mit einer linearen Kennlinie und mit hohen Werten bei P1dB und IP3 einher geht, um Verzerrungen zu reduzieren, ist für diese HF-Anwendungen von elementarer Bedeutung. Gleichzeitig müssen die Leistungsverstärker (Power Amplifier; PA) einen hohen Wirkungsgrad haben und einen hohen PAE-Wert aufweisen, um den Stromverbrauch zu minimieren.

5G-Kommunikation im Millimeterwellen-Bereich

Die neuen Generationen für die 5G-Kommunikation im Millimeterwellen-Bereich erhöhen aufgrund ihrer Geschwindigkeit, der großen Bandbreite und der geringen Latenzzeit für die Breitband-Kommunikation die Menge an Informationen erheblich, die in Echtzeit-Anwendungen ausgetauscht werden können.

5G-Systeme, die in den niedrigeren Frequenzbändern unter 6 GHz betrieben werden, waren anfällig für Störungen hoher Leistung, aber 5G-Millimeterwellen-Systeme, die bei Frequenzen von 24 GHz und darüber arbeiten, ermöglichen den Einsatz von 5G-Netzwerken im Millimeterwellen-Bereich, das nicht so anfällig für leistungsstarke Störsignale ist.

Beispiele hierfür sind Sensornetzwerke für die Erfassung von Steuerdaten sowie Augmented-Reality-Displays, die das Situationsbewusstsein von Piloten verbessern. 5G wird auch Virtual-Reality-Lösungen für den ferngesteuerten Betrieb von Fahrzeugen bei Einsätzen in der Luft, zu Lande und zu Wasser ermöglichen. Weiterhin wird 5G eine Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen intelligente Lagerhaltung, Telemedizin und Truppentransporte ermöglichen.

Weltweit arbeiten die einzelnen Länder bei 5G in unterschiedlichen Bändern des Millimeterwellen-Bereichs (mmWave-Band). In den Vereinigten Staaten war 28 GHz das erste 5G-Millimeterwellen-Band, das zum Einsatz kam, gefolgt von 39 GHz. In Europa werden die Frequenzbänder 24,25 bis 27,5; 31,8 bis 33,4 und 40,5 bis 43,5 GHz verwendet. China setzt 5G-Millimeterwellen bei Frequenzen im Bereich 24,25 bis 27,5 GHz ein.

Die Netzwerk-Architektur bei 5G

Das 5G-Netz besteht aus Makro-Basisstationen und kleinen Zellen. Die Makro-Basisstation ist über mmWave-Backhaul- oder Glasfaserverbindungen mit dem Kern-Netzwerk verbunden. Makro-Basisstationen können direkt mit den Mobiltelefonen bzw Endgeräten kommunizieren, aber sie ermöglichen auch die Kommunikation mit den kleinen Zellen, die wiederum mit Mobil- bzw. Endgeräten kommunizieren und so die Verbindung auf der letzten Meile sicherstellen. Es gibt Piko-Zellen und Femto-Zellen, die jeweils die Netzanbindung innerhalb von Bürogebäuden zur Verfügung stellen, in denen die Verbindung schwach sein kann oder in der eine hohe Nutzerdichte herrscht.

Femto-Zellen werden in der Regel vom Anwender installiert, um die Coverage, also den Bereich der Netztabdeckung innerhalb eines kleinen Bereichs in der unmittelbaren Nähe, zu verbessern, z. B. in einem Heimbüro oder in einem „Dead Zone“ genannten Bereich innerhalb eines Gebäudes, in dem es keine Coverage gibt. Femto-Zellen sind nur für eine Handvoll Nutzer ausgelegt und können nur wenige Anrufe gleichzeitig abwickeln; sie haben eine sehr geringe Ausgangsleistung bis zu 0,2 W.

Piko-Zellen bieten größere Kapazitäten und Abdeckung und unterstützen bis zu 100 Anwendungen in einem Umkreis von bis zu 300 m. Piko-Zellen kommen häufig in Innenräumen zum Einsatz, um die schlechte WLAN- und Mobilfunkabdeckung innerhalb eines Gebäudes zu verbessern. Ein gutes Beispiel hierfür ist eine Büroetage oder ein Einzelhandelsgeschäft.

Piko-Zellen lassen sich in Erwartung eines hohen Verkehrsaufkommens in einem begrenzten Gebiet auch vorübergehend installieren, z. B. bei einer Sportveranstaltung. Sie werden auch als fester Bestandteil von Mobilfunknetzen in einem heterogenen Netz installiert und arbeiten dabei mit Makro-Zellen zusammen, um eine unterbrechungsfreie Versorgung der Endanwender zu gewährleisten. Piko-Zellen arbeiten mit einer Ausgangsleistung bis zu 2 W.

Makro-Basisstationen sind große Basisstationen, die große Flächen von über 1 km abdecken und am Ausgang Leistungen von teils über 100 W zur Verfügung stellen.

L-, S-, X- und C-Band für Radarsysteme

Radarsysteme arbeiten im L-Band (1 bis 2 GHz) für Anwendungen wie Freund-Feind-Erkennung, Entfernungsmessung sowie Verfolgung und Überwachung. Das S-Band (2 bis 4 GHz) wird für Mode-S-Anwendungen mit selektiver Reaktion und für Wetterradarsysteme verwendet. Im X-Band (8 bis 12 GHz) arbeiten Wetter- und Flugzeugradar, während das C-Band (4 bis 8 GHz) für 5G und andere Kommunikationsanwendungen unter 7 GHz genutzt wird.

5G-Millimeterwellen bieten die höchsten Bandbreiten und Datenraten; derartige Systeme arbeiten im Bereich 24 GHz sowie in höheren Frequenzbändern. Die Kommunikation für LEO-Satelliten (Low Earth Orbit) und die geosynchrone Kommunikation erfolgt im K-Band, das sich von 12 bis 40 GHz erstreckt.

Kommunikation mit gerichteten Strahlen: HF-Beamforming

Unter HF-Beamforming versteht man die Hochfrequenz-Kommunikation über ein einen geformten bzw. in eine Richtung ausgerichteten Hochfrequenz-Strahl. Es gibt verschiedene Arten von Architekturen, die das Phased Array Beamforming nutzen und in diesen HF-Anwendungen zum Einsatz kommen. Im Einzelnen handelt sich dabei um folgende Varianten:

• Analog Beamforming (analoge Strahlformung);

• Digital Beamforming (digitale Strahlformung);

• Hybrid Beamforming (hybride Strahlformung; eine Mischung aus analoger und digitaler Strahlformung).

Analog Beamforming: Für jede Phased-Array-Antenne beträgt der ideale Abstand zwischen den Elementen die halbe Wellenlänge (Lambda-Halbe; λ/2). Das Blockschaltbild in Bild 3 zeigt das Analog Beamforming: Es gibt dabei vier Phased-Array-Elemente, die jeweils im Abstand λ/2 voneinander getrennt angeordnet sind.

Bei einem 30-GHz-Signal beträgt der Abstand zwischen den einzelnen Phased-Array-Elementen jeweils 5 mm. Beim Analog Beamforming übernimmt der Phasenschieber die Strahlformung, indem er die Phase ändert, um eine konstruktive Interferenz für den Empfang und die Übertragung des Signals zu erreichen, indem er den Strahl in eine bestimmte Richtung fokussiert. Da dies bei Hochfrequenz erfolgt, ist es sehr empfindlich gegenüber Verbindungsverlusten.

Anschließend geht das Signal vom Phasenschieber zum Power Combiner/Splitter (Leistungskombinierer/Splitter), gefolgt von einem Aufwärts- und Abwärts-Wandler und einem A/D-D/A-Wandler ins Basisband. In diesem Fall gibt es für eine Anzahl von n Phased-Array-Elementen nur ein digitales Frontend.

Wie im Blockschaltbild in Bild 3 zu sehen ist, ist für vier Phased Array-Elemente nur ein einziges digitales Frontend erforderlich, das aus einem A/D-D/A-Wandler besteht. Der Vorteil dieser Architektur ist die geringstmögliche Anzahl von Bauelementen sowie die niedrigstmögliche Verlustleistung. Da die Phasenverschiebung jedoch in den HF-Bändern erfolgt, ist diese Art des Beamformings besonders anfällig für Verbindungsverluste, während gleichzeitig die Phasenverschiebung besonders komplex ist.

Digital Beamforming: Bei der digitalen Strahlformung erfolgt eine herkömmliche Aufwärts/Abwärts-Wandlung in die Frequenz des Basisbands, und anschließend entsteht eine digitale Phasenverschiebung. Diese Architektur bietet eine höhere Genauigkeit, weil die digitale Strahlformung bereits im Basisband erfolgt. Allerdings gibt es für jedes Phased-Array-Element einen A/D-D/A-Wandler, was zu einer großen Anzahl von Komponenten und einer hohen Verlustleistung führt.

In diesem Fall gibt es für eine Anzahl von n Phased-Array-Elementen n digitale Frontends. Wie aus dem Blockschaltbild in Bild 4 ersichtlich ist, existieren für vier Phased-Array-Elemente insgesamt vier digitale Front-Ends, die jeweils aus A/D-D/A-Wandlern bestehen.

Hybrid Beamforming: Die hybride Strahlformung ist eine Kombination aus der analogen Strahlformung und der digitalen Strahlforumung. Damit ist das Hybrid Beamforming optimal für größere Phased-Array-Antennen, um so den Wirkungsgrad der analogen Strahlformung mit einer geringeren Anzahl von Elementen, der Verlustleistung und der Präzision der digitalen Strahlformung zu erreichen.

Wie im Blockschaltbild in Bild 5 zu sehen ist, gibt es für vier Phased-Array-Elemente zwei digitale Frontends, die jeweils aus A/D-D/A-Wandlern bestehen. Beim analogen Beamforming gab es nur einen einzigen A/D-D/A-Wandler im digitalen Frontend, während es beim Digital Beam­forming vier digitale Frontend-A/D-D/A-Wandler gab.

Die HF-Signalkette

In Bild 6 ist das Blockschaltbild der HF-Signalkette dargestellt. Am Empfänger kommt das HF-Signal über die Antenne herein, durchläuft eine Begrenzerdiode, gefolgt von einem Schalter. Die gewünschte HF-Frequenz wird über die SAW-Filter (SAW: Surface Accoustic Wave, Oberflächenwellenfilter) ausgewählt. Das gewünschte Signal wird dann durch den rauscharmen Verstärker mit extrem niedriger Rauschzahl verstärkt, um die Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses des empfangenen Signals zu minimieren.

Anschließend wird es mit Hilfe eines Mischers heruntergewandelt. Das Signal des lokalen Oszillators (LO) wird mit diskreten PLL-Komponenten erzeugt, die aus einem Phasenfrequenz-Detektor und einem Prescaler bestehen, der die LO-Frequenz für den Mischer bereitstellt, um das Signal auf eine Zwischenfrequenz (ZF, englisch: IF) herunter zu wandeln. Als nächstes folgt die Umwandlung von der ZF in das Basisband, in dem die eigentliche Signalverarbeitung erfolgt.

Auf der Senderseite wird das Basisband-Signal auf die Zwischenfrequenz und dann auf die gewünschte HF-Frequenz hochgewandelt. Bevor das HF-Signal gesendet wird, wird es mit einem Leistungsverstärker verstärkt.

Tabelle 1 (nur online) zeigt die Leistungsdaten im HF-Bereich und die Vorteile für die Komponenten, die in dem HF-Blockschaltbild zur Anwendung kommen.

Anforderungen an HF-Leistungsverstärker

Leistungsverstärker (PA) spielen bei HF-Anwendungen auf der Senderseite eine Schlüsselrolle. Eine der wichtigsten Anforderungen an PA besteht darin, dass sie in ihrem linearen Bereich arbeiten können, um so die Verzerrung des HF-Signals zu minimieren. Satellitenkommunikationssysteme, die Modulationsverfahren höherer Ordnung wie 64/128/256 Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM) verwenden, sind extrem empfindlich gegenüber nichtlinearem Verhalten.

Eine weitere Herausforderung ist das Erreichen eines zufriedenstellenden Verhältnisses zwischen Spitzen- und Durchschnittsleistung (PAPR: Peak-to-Average Power Ratio). Beim PAPR handelt es sich um das Verhältnis zwischen der höchsten Leistung, die der PA erzeugt, und seiner Durchschnittsleistung. PAPR bestimmt, wie viele Daten gesendet werden können; dieses Verhältnis ist proportional zur durchschnittlichen Leistung. Gleichzeitig hängt die Größe des PA, der für ein bestimmtes Format benötigt wird, von der Spitzenleistung ab.

Die von der FCC (Federal Communications Commission) vorgeschriebene effektive isotrope Strahlungsleistung (EIRP) für 5G-Millimeterwellen umfasst eine Sendeleistung von 43 dBm EIRP für mobile Endgeräte und eine von der Basisstation übertragbare Leistung 55 dBm EIRP. Diese und andere zueinander im Widerspruch stehende Herausforderungen können nur mit GaN-on-SiC-Leistungsverstärkern bewältigt werden, die für Anwendungen in der Satellitenkommunikation, 5G sowie in der Luft- und Raumfahrt konzipiert sind.

GaN-on-SiC-Leistungsverstärker

GaN on SiC hat die höchste Leistungsdichte und erzeugt eine hohe lineare Ausgangsleistung bei einem hohem Wirkungsgrad. GaN-on-SiC-Leistungsverstärker können bei hohen Frequenzen im Ka- und Ku-Band von 12 bis 40 GHz für die Satellitenkommunikation und 5G betrieben werden und weisen große Bandbreiten genauso auf wie einen hohen Verstärkungsfaktor mit besseren thermischen Eigenschaften. Damit werden sie den Anforderungen von HF-Anwendungen gerecht.

Microchip hat eine neue Generation von GaN-on-SiC-MMIC-PA entwickelt, also Leistungsverstärkern, die mit MMICs (Monolithic Microwave ICs, monolithisch inte­grierte Mikrowellen-ICs) realisiert wurden. Bei diesen GaN-on-SiC-MMICs wird während der Fertigung Galliumnitrid (GaN) auf Siliziumkarbid (SiC) aufgebracht. Die neue PA-Generation bietet eine der höchsten Leistungsdichten und eine hohe lineare Ausgangsleistung mit hohem Wirkungsgrad, welche die SWaP-C-Anforderungen für Bauelemente erfüllen.

Das Flagschiff ICP2840 arbeitet im Frequenzbereich von 27,5 bis 31 GHz und bietet eine kontinuierliche Ausgangsleistung (CW) von 9 W sowie eine gepulste Ausgangsleistung von 10 W mit einer Verstärkung von 22 dB und einem Leistungs-Wirkungsgrad von 22 % (Bilder 7 und 8).

Leistungsverstärker für das K-Band

ICP2840 erzeugt eine kontinuierliche Ausgangsleistung von 9 W im Ka-Band von 27,5-31 GHz für Uplink-Frequenzen in der Satellitenkommunikation sowie im 5G-Frequenzband von 28 GHz. ICP2637 weist eine große Bandbreite von 23 bis 30 GHz auf und stellt am Ausgang eine Dauerleistung von 5 W (CW) zur Verfügung. Der Baustein wird sowohl in einem QFN-Gehäuse als auch in Die-Form angeboten. ICP1445 erzeugt im Frequenzband von 13 bis 15,5 GHz eine gepulste Ausgangsleistung von 35 W. ICP1543 arbeitet im Ku-Band von 12 bis 18 GHz und liefert am Ausgang eine Dauerleistung (CW) von 20 W.

Diese Leistungsverstärker haben eine hohe Verstärkung und eine hohe Ausgangsleistung, da sie die GaN-on-SiC-Technologie nutzen. So erfüllen sie die Anforderungen im Ku/Ka-Band für Anwendungen wie 5G, Satellitenkommunikation sowie Luft- und Raumfahrt. (kr)

Hohe Datenraten und komplexe Modulationsverfahren

HF-Signale bei drahtlosen Systemen charakterisieren

Hochfrequenzkomponenten

Sub-Terahertz-Verstärker: Keysight unterstützt Forschung an 6G-ICs

* Baljit Chandhoke ist CTO bei Microchip Technology.

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