Hochfrequenz-Leistungsverstärkerschaltung und Verfahren zum Betreiben einer Hochfrequenz-Leistungsverstärkerschaltung

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz- (HF-) Leistungsverstärkerschaltung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben der HF-Leistungsverstärkerschaltung.

HF-Leistungsverstärkerschaltungen müssen über einen großen Ausgangsleistungsbereich so effizient wie möglich arbeiten. Gleichzeitig sollte die HF-Leis- tungsverstärkerschaltung möglichst breitbandig und somit vielseitig einsetzbar sein. Bisher werden klassische Doherty Leistungsverstärker (englisch: Doherty Power Amplifiers, DP As) eingesetzt.

Im Stand der Technik existieren verschiedene Techniken, um entweder die Bandbreite oder den effizienten Ausgangsleistungsbereich einer HF-Leistungsverstärker- schaltung zu erhöhen. Jedoch gibt es im Stand der Technik keine HF- Leistungsverstärkerschaltung, die in der Lage ist, beides gleichzeitig zu erreichen, und dabei zusätzlich die Komplexität derselben gering zu halten. Darüber hinaus sinkt die Effizienz zwischen der durchschnittlichen und der maximalen Ausgangsleistung drastisch, je größer der Dynamikbereich, d.h. der Pegelbereich, über den eine HF-Leistungsverstärkerschaltung eingesetzt werden kann.

Die Effizienz bei niedrigen Ausgangsleistungen, dem sogenannte Back Off Bereich, ist besonders ausschlaggebend für die durchschnittliche Effizienz einer HF-Leis- tungsverstärkerschaltung, da diese Leistungspegel im Anwendungsfall am häufigs- ten vorkommen. Bisherige Techniken zeigen zum einen allgemein geringere Effizienz im Back Off Bereich als im Spitzenleistungsbereich und zum anderen sinkt die Effizienz zwischen diesen beiden Ausgangsleistungsbereichen je größer der Back Off Bereich ist.

Hier können 3 -Wege Doherty Leistungsverstärker eine verbesserte durchschnittliche Effizienz bereitstellen. Allerdings steigern die 3 -Wege Doherty Leistungsverstärker wesentlich die Komplexität und führen zu einer zusätzlichen Abhängigkeit untereinander. Das kann sich wiederum negativ auf die Bandbreite des Verstärkers auswirken.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Aufbau einer HF- Leistungsverstärkerschaltung bereitzustellen. Hierdurch können Kosten bei der Herstellung einer HF-Leistungsverstärkerschaltung reduziert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Konkret wird die Aufgabe durch eine HF-Leistungsverstärkerschaltung gelöst. Die HF-Leistungsverstärkerschaltung hat einen 90° Hybridkoppler. Ferner hat die HF- Leistungsverstärkerschaltung ein erstes HF -Verstärkerelement. Das erste HF -Verstärkerelement ist ausgebildet, eine erste Komponente eines Teils eines Eingangssignals zu verstärken.

Der Begriff „Komponente“ kann hierin zum Beispiel als eine Inphase- oder Quadratur- Komponente verstanden werden. Die HF-Leistungsverstärkerschaltung kann einen Signalgenerator aufweisen. Der Signalgenerator kann ausgebildet sein, das Eingangssignal zu erzeugen. Insbesondere kann der Signalgenerator für die HF- Leistungsverstärkerschaltung dediziert sein. Das Eingangssignal kann ein digital moduliertes Signal sein. Beispiele für das digital modulierte Signal sind ein Phasenumtastungs- (PSK-) Signal, ein Quadratur-PSK- (QPSK-) Signal, ein 7i/4-QPSK Signal, ein Offset-QPSK (OQPSK) Signal, ein Differentielles QPSK (DQPSK) Signal, sowie ein orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM) Signal oder dergleichen. Speziell kann die HF-Leistungsverstärkerschaltung für solche Signale vorteilhaft und vorgesehen sein, die ein hohes Spitzen-Mittelwert- Verhältnis (PAR) haben.

Das erste HF -Verstärkerelement ist ausgebildet, einen ersten Anschluss des 90° Hybridkopplers mit der verstärkten ersten Komponente zu speisen. Ferner hat die HF-Leistungsverstärkerschaltung ein zweites HF -Verstärkerelement. Das zweite HF-Verstärkerelement ist aus gebildet, eine zweite Komponente des Teils des Eingangssignals zu verstärken. Das zweite HF-Verstärkerelement ist ausgebildet, einen zweiten Anschluss des 90° Hybridkopplers mit der verstärkten zweiten Komponente zu speisen.

Ferner ist die HF-Leistungsverstärkerschaltung ausgebildet, einen anderen Teil des Eingangssignal zu verstärken. Hierbei kann die HF-Leistungsverstärkerschaltung einen Leistungsteiler aufweisen, der den einen und den anderen Teil durch Aufteilen des Eingangssignals bereitstellt. Die HF-Leistungsverstärkerschaltung ist aus gebildet, einen dritten Anschluss des 90° Hybridkopplers mit dem verstärkten anderen Teil des Eingangssignals zu speisen. Die HF-Leistungsverstärkerschaltung ist ferner ausgebildet, ein Ausgangssignal an einem vierten Anschluss des 90° Hybridkopplers bereitzustellen, das auf ein und demselben Eingangssignal basiert.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch den einfachen Aufbau der HF- Leistungsverstärkerschaltung die Kosten bei der Herstellung derselben reduziert werden können. Dadurch, dass das Ausgangssignal auf ein und demselben Eingangssignal basiert, kann ein höherer Ausgangssignalleistungsbereich erzielt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die HF-Leistungsverstärkerschaltung kann ausgebildet sein, eine Impedanzveränderung an Ausgängen der ersten und zweiten Verstärkerelemente mittels des an dem dritten Anschluss des 90° Hybridkopplers eingespeisten verstärkten anderen Teils des Eingangssignals zu bewirken, um ein höheres Ausgangssignal an dem vierten Anschluss des 90° Hybridkopplers bereitzustellen. Diese Impedanzveränderung kann durch einen mit dem verstärkten anderen Teil des Eingangssignals verknüpften und in den dritten Anschluss fließenden Strom an den entsprechenden Ausgängen der ersten und zweiten Verstärkerelemente hervorgerufen werden und deshalb zu einem höheren Ausgangssignal führen.

Somit kann die Effizienz der HF-Leistungsverstärkerschaltung erhöht werden.

Beispielsweise kann der 90° Hybridkoppler genau vier Anschlüsse aufweisen. Diese vier Anschlüsse können die ersten, zweiten, dritten und vierten Anschlüsse sein.

Die HF-Leistungsverstärkerschaltung kann eine oder mehrere Versorgungsspannungsquellen aufweisen. Die einen oder mehreren Versorgungsspannungsquellen können ausgebildet und angeordnet sein, ein und dieselbe Versorgungsspannung für alle in der HF-Leistungsverstärkerschaltung angeordneten Verstärkerelemente bereitzustellen. Die mehreren Versorgungsspannungsquellen können ausgebildet und angeordnet sein, jeweilige Versorgungsspannungen für entsprechend in der HF- Leistungsverstärkerschaltung angeordnete Verstärkerelemente bereitzustellen, zum Beispiel jeweils eine Versorgungsspannung für den balancierten Verstärker, den lastmodulierten Verstärker, den Spitzenverstärker, den Trägerverstärker, das erste HF- Verstärkerelement und/oder das zweite HF -Verstärkerelement. Hierdurch können die Elemente der HF-Leistungsverstärkerschaltung symmetrisch, regelmäßig bzw. geordnet über eine Leiterplattenfläche verteilt werden. Es kann somit ein einfacherer Aufbau bereitgestellt werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die HF-Leistungsverstärkerschaltung einen lastmodulierten Verstärker aufweisen. Der lastmodulierte Verstärker kann ausgangsseitig mit dem dritten Anschluss des 90° Hybridkopplers verbunden sein. Der lastmodulierte Verstärker kann aus gebildet und angeordnet sein, den anderen Teil des Eingangssignals zu verstärken. Der lastmodulierte Verstärker kann ausgebildet und angeordnet sein, den dritten Anschluss des 90° Hybridkopplers mit dem verstärkten anderen Teil des Eingangssignals zu speisen.

Somit können unterschiedliche Dynamikbereiche bandbreitenoptimiert abgedeckt werden.

Eingangsseitig kann der lastmodulierte Verstärker mit dem Leistungsteiler verbunden sein, um den anderen Teil des Eingangssignals zu erhalten.

Der lastmodulierte Verstärker kann ein 2-Wege Doherty Leistungsverstärker sein. Der lastmodulierte Verstärker kann einen Trägerverstärker und einen Spitzenverstärker, zum Beispiel in diesen 2 Wegen, aufweisen. Der Trägerverstärker kann als Klasse AB Verstärker ausgebildet sein, den anderen Teil des Eingangssignal in einem ersten Leistungsbereich zu verstärken. Der Spitzenverstärker kann ausgebildet sein, in dem ersten Leistungsbereich als Klasse C Verstärker Aus zu sein. Der lastmodulierte Verstärker kann ausgebildet sein, den dritten Anschluss des 90° Hybridkopplers mit dem verstärkten anderen Teil des Eingangssignals in dem ersten Leistungsbereich zu speisen. Die HF-Leistungsverstärkerschaltung kann so eingerichtet sein, dass, in den ersten und zweiten Leistungsbereichen, der an dem dritten Anschluss des 90° Hybridkopplers eingespeiste verstärkte andere Teil des Eingangssignals an dem ersten und zweiten Anschluss jeweils reflektiert wird und entsprechende Anteile des Ausgangssignals bildet.

Somit kann der lastmodulierte Verstärker betrieben werden, ohne dass zusätzliche Leistung am Spitzenverstärker verloren geht.

Es versteht sich hierbei, dass selbst im Aus-Zustand über die entsprechende Versorgungsspannung parasitäre Ströme fließen können. Dies gilt hierin für alle Klasse C Verstärker.

Ein Ausgang des lastmodulierten Verstärkers kann als Knotenpunkt der 2-Wege des lastmodulierten Verstärkers ausgebildet sein. Ferner kann der Knotenpunkt direkt elektrisch leitend mit dem Ausgang des Spitzenverstärkers verbunden sein. Außerdem kann der lastmodulierte Verstärker einen Impedanztransformator aufweisen. Beispielweise ist der Impedanztransformator ausgebildet als Impedanzinverter oder Ä/4 Transformator bezogen auf die Trägerwellenlänge X. Der Ä/4 Transformator kann zwischen dem Knotenpunkt des lastmodulierten Verstärkers und dem Ausgang des Trägerverstärkers geschaltet sein.

Der Trägerverstärker kann als Klasse AB Verstärker und der Spitzenverstärker als Klasse C Verstärker ausgebildet sein, den anderen Teil des Eingangssignal in einem zweiten Leistungsbereich oberhalb des ersten Leistungsbereichs zu verstärken. Der lastmodulierte Verstärker kann ausgebildet sein, den dritten Anschluss des 90° Hybridkopplers mit dem verstärkten anderen Teil des Eingangssignals in dem zweiten Leistungsbereich zu speisen.

Somit kann der Trägerverstärker optimiert betrieben werden.

Die HF-Leistungsverstärkerschaltung kann einen balancierten Verstärker aufweisen. Der balancierte Verstärker kann den 90° Hybridkoppler als Ausgangskoppler der HF-Leistungsverstärkerschaltung enthalten. Der balancierte Verstärker kann die ersten und zweiten Verstärkerelemente enthalten, die dem 90° Hybridkoppler vorgeschaltet sind. Der dritte Anschluss des 90° Hybridkopplers kann dafür vorgesehen sein, ein für einen normalen Betrieb des balancierten Verstärkers reflexionsfrei abgeschlossener Anschluss zu sein. Dieser Anschluss kann vorliegend anders realisiert sein, nämlich als Eingangsanschluss für den lastoptimierten Verstärker, wie oben beschrieben. Hierbei kann der dritte Anschluss des 90° Hybridkopplers mit dem Aus gang des lastmodulierten Verstärkers verbunden sein. Insbesondere kann die zu dem dritten Anschluss des 90° Hybridkopplers führende Impedanz so angepasst sein, dass der dritte Anschluss des 90° Hybridkopplers reflexionsfrei bzw. reflexionsarm abgeschlossen ist.

Somit lassen sich eine Verstärkerkonstruktion bilden, die Bandbreite und Dynamik miteinander kombiniert.

Der Trägerverstärker als Klasse AB Verstärker und der Spitzenverstärker als Klasse C Verstärker können ausgebildet sein, den anderen Teil des Eingangssignal in einem dritten Leistungsbereich oberhalb des zweiten Leistungsbereichs zu verstärken. Der lastmodulierte Verstärker kann ausgebildet sein, den dritten Anschluss des 90° Hybridkopplers mit dem verstärkten anderen Teil des Eingangssignals in dem dritten Leistungsbereich zu speisen. Das erste HF- Verstärkerelement als Klasse C Verstärker kann ausgebildet sein, die erste Komponente des Teils des Eingangssignals in dem dritten Leistungsbereich zu verstärken. Das erste HF -Verstärkerelement kann ferner ausgebildet sein, den ersten Anschluss des 90° Hybridkopplers mit der verstärkten ersten Komponente in dem dritten Leistungsbereich zu speisen. Das zweite HF -Verstärkerelement als Klasse C Verstärker kann ausgebildet sein, die zweite Komponente in dem dritten Leistungsbereich zu verstärken. Das zweite HF- Verstärkerelement kann ferner aus gebildet sein, den zweiten Anschluss des 90° Hybridkopplers mit der verstärkten zweiten Komponente in dem dritten Leistungsbereich zu speisen. Es kann hierdurch ein hoher Dynamikbereich bei hoher Bandbreite und hoher Effizienz bereitgestellt werden.

Die ersten und zweiten HF -Verstärkerelemente können ausgebildet sein, in dem ersten Leistungsbereich und dem zweiten Leistungsbereich Aus zu sein.

Hierdurch kann die Effizienz gesteigert werden.

Der erste, zweite und/oder dritte Leistungsbereich kann größer als 2 dBm, 4dBm oder 6dBm sein. Der erste, zweite und/oder dritte Leistungsbereich kann kleiner als 20 dBm, 15dBm oder lOdBm sein. Ein Leistungsschwellenwert zwischen dem ersten und zweiten Leistungsbereich kann bei 36 dBm oder in einem Bereich von 25 bis 38 dBm liegen. Ein Leistungsschwellenwert zwischen dem zweiten und dritten Leistungsbereich kann bei 46 dBm oder in einem Bereich von 38 bis 48 dBm liegen. Eine Leistungsobergrenze des dritten Leistungsbereichs kann bei 52dBm oder in einem Bereich von 48 bis 60 dBm liegen.

Der balancierte Verstärker kann einen weiteren 90° Hybridkoppler als Eingangskoppler aufweisen. Der Eingangskoppler kann ausgebildet sein, den Teil des Eingangssignals in die ersten und zweiten Komponenten aufzuteilen. Diese können entsprechende Inphase- und Quadraturkomponenten sein. Der Eingangskoppler kann ausgebildet sein, die ersten und zweiten Komponenten den ersten und zweiten HF- Verstärkerelementen entsprechend bereitzustellen.

Der lastmodulierte Verstärker kann einen weiteren Leistungsteiler haben, der den anderen Teil des Eingangssignals in entsprechende weitere Teile aufteilt, hierin Trägersignal und Spitzensignal genannt. Eine direkte Leitungsverbindung zwischen dem weiteren Leistungsteiler und dem Trägerverstärker kann es dem Trägersignal ermöglichen, direkt an einen Eingang des Trägerverstärkers weitergeleitet zu werden. Das Spitzensignal kann noch eine Phasenverschiebung zum Beispiel um 90° durchlaufen, bevor es an einem Eingang des Spitzenverstärkers erreicht. Hierfür kann ein Phasenschieber, zum Beispiel auch ein 90° Hybridkoppler, zwischen dem Eingang des Spitzenverstärkers und dem weiteren Leistungsteiler geschaltet sein.

Die HF-Leistungsverstärkerschaltung kann ausgangsseitig noch eine Last RL, aufweisen, wie zum Beispiel eine Antenne, um eine funktechnische Übertragung bereitzustellen.

Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben einer HF- Leistungsverstärkerschaltung gelöst. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines 90° Hybridkopplers. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines ersten und zweiten HF -Verstärkerelements. Das Verfahren umfasst ein Verstärken, durch das erste HF-Verstärkerelement, einer ersten Komponente eines Teils eines Eingangssignals. Das Verfahren umfasst ferner ein Speisen, durch das erste HF-Verstärkerelement, eines ersten Anschlusses des 90° Hybridkopplers mit der verstärkten ersten Komponente. Ferner umfasst das Verfahr ein Verstärken, durch das zweite HF -Verstärkerelement, einer zweiten Komponente des Teils des Eingangssignals. Das Verfahren umfasst weiter ein Speisen, durch das zweite HF-Verstärkerelement, eines zweiten Anschlusses des 90° Hybridkopplers mit der verstärkten zweiten Komponente. Das Verfahren umfasst ein Verstärken eines anderen Teils des Eingangssignals. Das Verfahren umfasst ein Speisen eines dritten Anschlusses des 90° Hybridkopplers mit dem verstärkten anderen Teil des Eingangssignals. Das Verfahren umfasst außerdem ein Bereitstellen eines auf ein und demselben Eingangssignal basierenden Ausgangssignal an einem vierten Anschluss des 90° Hybridkopplers.

Das vorliegende Verfahren hat den Vorteil, einen höheren Ausgangssignalleistungsbereich zu erzielen. Außerdem kann eine Vorrichtung mit der oben beschriebenen HF-Leistungsverstär- kerschaltung bereitgestellt sein. Die Vorrichtung kann ein Satellit zur Satellitenkommunikation, eine Basisstation zur Kommunikation mit einem Benutzerendgerät, ein Rundfunkmast zum Ausstrahlen des Signals oder ein Benutzerendgerät zur Kommunikation mit einer Basisstation sein.

Es lassen sich somit vielseitige Einsatzmöglichkeiten finden.

Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Kombination aus einem lastmodulierten Verstärker mit einem balancierten Verstärker. Der Aufbau eines balancierten Verstärkers kann mit geringer Komplexität und breitbandig realisiert sein, da er aus zwei identischen Verstärkern besteht die ausgangsseitig mit einem breitbandigen 90° Hybrid kombiniert werden. Dieser Koppler bzw. Kombinierer verfugt über vier Anschlüsse. Zwei der vier Anschlüsse können als Eingang für die Ausgangssignale der zwei identischen Verstärker verwendet werden. Ein dritter der vier Anschlüsse kann als Ausgang für die beiden mittels des 90° Hybrid kombinierten Signals des balancierten Verstärkers füngieren. Anstatt den vierten Anschluss, wie üblicherweise, mit einem Widerstand reflexionsfrei bzw. reflexionsarm abzuschließen, wird dieser vierte Anschluss genutzt um das Ausgangssignal des lastmodulierten Verstärkers einzuspeisen. Dies ist möglich, da sich die Eingangsimpedanz des vierten Anschlusses durch die Symmetrie des balancierten Verstärkers nicht ändert. Durch diese Tatsache können sowohl der balancierte Verstärker als auch der lastmodulierte Verstärker unabhängig voneinander entworfen werden, wodurch die Komplexität geringgehalten werden kann. Die Spitzenleistung und somit die Effizienz werden hierbei im Wesentlich von dem balancierten Verstärker erzielt.

Der balancierte Verstärker ist inhärent breitbandig. Der lastmodulierte Verstärker kann durch die Verwendung von invertierten Dohertys (IDPA) oder sequentiell aktiv lastmodulierten Leistungsverstärkern (S-PAD) auch entsprechend breitbandig realisiert sein. Durch die Kombination beider Verstärkertypen (lastmodulierter Verstärker und balancierter Verstärker) kann ein Hochfrequenzleistungsverstärker bzw. eine Hochfrequenzleistungsverstärkerschaltung mit verhältnismäßig einfachem Aufbau realisiert werden, der über einen Back Off von mehr als 12 bis 14 dB hocheffizient arbeitet. Durch entsprechende Auslegung der beiden Verstärkertypen (lastmodulierter Verstärker und balancierter Verstärker) kann somit ein effizienter Dynamikbereich eingestellt werden, der einem 3 -Wege Doherty Leistungsverstärker in durchschnittlicher Effizienz, Komplexität und Bandbreite überlegen sein kann. Darüber hinaus, können, bei Bedarf an einem noch größeren Back Off Bereich, die beiden identischen Verstärker des balancierten Verstärkers auch als lastmodulierte Leistungsverstärker ausgelegt werden, wodurch ohne wesentlichen Mehraufwand eine Back Off Erweiterung auf mehr als 20 dB erreicht werden kann.

Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf die HF- Leistungsverstärkerschaltung beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf das Verfahren zum Betreiben der HF-Leistungsverstärkerschaltung zutreffen. Genauso können die voranstehend in Bezug auf das Verfahren zum Betreiben der HF-Leistungsverstärkerschaltung beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf die HF-Leistungsverstärkerschaltung zutreffen.

Ebenfalls versteht sich, dass die vorliegend verwendeten Begriffe lediglich der Beschreibung einzelner Ausführungsformen dienen und nicht als Einschränkung gelten sollen. Sofern nicht anders definiert, haben alle vorliegend verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die Bedeutung, die dem allgemeinen Verständnis des Fachmannes auf dem für die vorliegende Offenbarung relevanten Fachgebiet entspricht; sie sind weder zu weit 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 befindlichen Definition oder dem Zusammenhang entsprechend auszulegen; hierbei ist eine zu enge Auslegung zu vermeiden.

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, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen; ebenso kann eine zweite Komponente als erste Komponente bezeichnet werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausfuhrungsbeispiels unter Bezug auf die beigefugten schematischen Figuren mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

In dieser zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer HF-Leistungsverstärkerschaltung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Verstärkereffizienzen als Funktion der Ausgangsleistung;

Fig. 3 eine schematische Ansicht der Gesamteffizienz als Funktion der Gesamtausgangsleistung;

Fig. 4 eine schematische Ansicht der Verstärkerausgangsleistungen als Funktion der Eingangsleistung; und Fig. 5 eine schematische Ansicht der Gesamtausgangsleistung als Funktion der Eingangsleistung.

Es sei im Vorhinein darauf hingewiesen, dass es sich bei den zwischen den Elementen 2 bis 14 und RL gezeichneten Linien um feste, zum Beispiel unmittelbare, elektrisch leitende Verbindungen beispielsweise mittels Transmissionsleitungen handeln kann.

Die HF-Leistungsverstärkerschaltung kann monolithisch oder hybrid auf einer Leiterplatte (nicht gezeigt), auch Platine genannt, bereitgestellt sein. Hierbei können die für die HF-Leistungsverstärkerschaltung verwendeten Elemente 2 bis 14 oberflächenmontierte Bauelemente (englisch: surface-mounted devices, SMDs) sein. SMD-Bauelemente werden mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf eine Leiterplatte gelötet (Flachbaugruppe). Die dazugehörige Technik ist die Oberflächenmontage (englisch surface-mounting technology, SMT). Alternativ oder zusätzlich zu den SMD-Bauelementen, die keine Drahtanschlüsse aufweisen, können die für die HF-Leistungsverstärkerschaltung verwendeten Elemente 2 bis 14 bedrahtete Bauelemente sein, die mittels Durchsteckmontage (englisch: through- hole technology, THT) angebracht sind.

Die Kemschicht der Leiterplatte kann aus elektrisch isolierendem Material bestehen. An einer Seite des elektrisch isolierenden Materials können leitende Verbindungen bzw. Leiterbahnen (zum Beispiel die Verbindungslinieren zwischen den Elementen 2 bis 14 und RL) haften. Die andere Seite des elektrisch isolierenden Materials kann eine durchgehend leitende Oberfläche sein. Als isolierendes Material kann faserverstärkter Kunststoff oder Hartpapier vorgesehen sein. Die Leiterbahnen können aus einer Schicht Kupfer, zum Beispiel mit einer Dicke im Bereich von 20 bis 35 pm, geätzt sein. Insbesondere können alle Verbindungsleiter, zum Beispiel der Leiterplatte bzw. die Verbindungslinien zwischen den Elementen 2 bis 14 und RL, gedruckte Leitungen in Form von Streifenleitungen sein. Die Streifenleitungen können Mikrostreifenleitungen, symmetrische Streifenleitungen, geschirmte Streifenleitungen, Koplanarleitungen und/oder Doppelbandleitungen sein.

Fig. 1 zeigt nun eine HF-Leistungsverstärkerschaltung 1. Die HF- Leistungsverstärkerschaltung 1 umfasst einen Signalgenerator 2, der für die Versorgung mit einem Eingangssignal aus gelegt ist. Ein solches Eingangssignal kann ein auf eine Trägerwellenlänge X bzw. Trägerfrequenz (1/X) moduliertes Informationssignal sein. Das Eingangssignal kann insbesondere ein digital moduliertes Signal sein. Beispiele für das digital modulierte Signal sind ein Phasenumtastungs- (PSK-) Signal, ein Quadratur-PSK- (QPSK-) Signal, ein jr/4- QPSK Signal, ein Offset-QPSK (OQPSK) Signal oder ein Differentielles QPSK (DQPSK) Signal oder dergleichen. Speziell kann die HF- Leistungsverstärkerschaltung für solche Signale vorteilhaft und vorgesehen sein, die ein hohes Spitzen-Mittelwert- Verhältnis (PAR) haben.

Die HF-Leistungsverstärkerschaltung 1 umfasst ferner einen ersten Leistungsteiler 3, der eingangsseitig mit dem Signalgenerator 2 verbunden ist. Der erste Leistungsteiler 3 teilt das Eingangssignal 3 in jeweilige Teile, zum Beispiel zwei gleiche Teile auf. Der erste Leistungsteiler 3 kann zum Beispiel ein 90° Hybridkoppler oder ein Wilkinson-Teiler sein.

Die HF-Leistungsverstärkerschaltung 1 umfasst ferner einen lastmodulierten Verstärker 4. Der lastmodulierte Verstärker 4 ist eingangsseitig mit dem ersten Leistungsteiler 3 verbunden. Der lastmodulierte Verstärker 4 verstärkt ganz allgemein den einen Teil des Eingangssignals. Die HF-Leistungsverstärkerschaltung 1 umfasst ferner einen balancierten Verstärker 5, der eingangsseitig mit dem ersten Leistungsteiler 3 verbunden ist. Der balancierte Verstärker 5 verstärkt den anderen Teil des Eingangssignals.

Nun steht der balancierte Verstärker 5 mit dem lastmodulierten Verstärker 4 so in Verbindung, dass ein für gewöhnlich reflexionsarm bzw. reflexionsfrei abgeschlossener Anschluss, wie in Fig. 1 durch P2 gezeigt, direkt elektrisch leitfähig mit dem Ausgang des lastmodulierten Verstärkers 4 verbunden ist.

Im Wesentlichen wird also eine effektive Verschaltung von lastmoduliertem Verstärker 4 und balanciertem Verstärker 5 bereitgestellt.

Hierbei bewirkt der lastmodulierte Verstärker 4 eine Lastmodulation auf den balancierten Verstärker 5. Hierdurch kann der Dynamikbereich am Aus gang der HF-Leistungsverstärkerschaltung 1, wie in Fig. 1 durch P3 gezeigt, vergrößert werden.

Die HF-Leistungsverstärkerschaltung 1 umfasst am Ausgang der Schaltung noch eine Last RL, wie zum Beispiel eine Antenne, um eine funktechnische Übertragung bereitzustellen.

Im Folgenden wird nun auf die beiden Elemente des lastmodulierten Verstärkers 4 und des balancierten Verstärkers 5 eingegangen.

Der lastmodulierte Verstärker 4 umfasst einen zweiten Leistungsteiler 6, der eingangsseitig mit einem der Ausgänge des ersten Leistungsteilers 3 verbunden ist. Der zweite Leistungsteiler 6 kann ebenso wie der erste Leistungsteiler 3, ein 90° Hybridkoppler oder ein Wilkinson-Teiler sein. Der zweite Leistungsteiler 6 teilt den einen Teil des Eingangssignals 3 wiederum in jeweilige Teile, zum Beispiel zwei gleiche Teile auf. Der Einfachheit halber werden die von dem Leistungsteiler 6 ausgangsseitig bereitgestellten Signalteile nun als Trägersignal und Spitzensignal bezeichnet.

Der lastmodulierte Verstärker 4 umfasst optional einen Phasenschieber 7, der auch als 90° Hybridkoppler ausgeführt sein kann. Der Phasenschieber 7 ist eingangsseitig mit dem zweiten Leistungsteiler 6 verbunden und bewirkt eine Phasenverschiebung um 90° auf das Spitzensignal.

Der lastmodulierte Verstärker 4 umfasst einen Trägerverstärker 8 und einen Spitzenverstärker 9. Der Trägerverstärker 8 ist eingangsseitig mit dem zweiten Leistungsteiler 6 verbunden und empfängt dort das Trägersignal. Der Spitzenverstärker 9 ist eingangsseitig entweder mit dem zweiten Leistungsteiler 6 oder bei Vorhandensein des Phasenschiebers 7 mit dem Phasenschieber 7 verbunden und empfängt das 90° phasenverschobene Spitzensignal.

Nun ist der Trägerverstärker 8 so ausgelegt, dass er in einem ersten Leistungsbereich der HF-Leistungsverstärkerschaltung 1 arbeitet. Der Trägerverstärker 8 kann insbesondere ein Klasse AB Verstärker sein. Der Spitzenverstärker 9 ist ein Klasse C Verstärker und setzt erst ein, wenn der erste Leistungsbereich verlassen wird. Der Spitzenverstärker 9 arbeitet somit in einem zweiten Leistungsbereich, zum Beispiel ausschließlich über dem ersten Leistungsbereich. Hierbei können der erste Leistungsbereich und der zweite Leistungsbereich durch einen Leistungsschwellenwert getrennt und benachbart sein. Der Leistungsschwellenwert gibt die Ausgangsleistung an, ab der der Spitzenverstärker 9 zu dem Trägerverstärker 8 zugeschalten wird.

Bei Zuschalten des Spitzenverstärkers 9 zu dem Trägerverstärker 8 ergibt sich eine sogenannte Lastmodulation. In dem Beispiel aus Fig. 1 kann das über eine Stromaddition am Ausgang des lastmodulierten Verstärkers 4 erfolgen, wonach die Lastimpedanz am Ausgang des Trägerverstärker 8 durch Zuschalten des Spitzenverstärkers 9 verringert wird. Es kann somit ein größerer Ausgangsstrom durch den lastmodulierten Verstärker 4 zur Verfügung gestellt werden.

Der lastmodulierte Verstärker 4 umfasst in dem Beispiel aus Fig. 1 zusätzlich einen Ä/4 Transformator 10, der eingangsseitig mit dem Trägerverstärker 8 verbunden ist und ausgangsseitig direkt mit dem Ausgang des Spitzenverstärkers 9 verbunden ist und gleichzeitig den Ausgang des lastmodulierten Verstärkers 4 darstellt. Alternative zum lastmodulierten Verstärker 4 mit Stromaddition kann ein lastmodulierten Verstärker 4 mit Spannungsaddition verwendet werden. Hierbei kann der Ä/4 Transformator 10 zum Beispiel entfallen.

Das so erhaltene Ausgangssignal wird dann am Ausgang des lastmodulierten Verstärkers 4 bereitgestellt.

Der balancierte Verstärker 5 umfasst einen 90° Hybridkoppler als Eingangskoppler 11. Der Eingangskoppler 11 hat vier Anschlüsse PI, P2, P3 und P4. Der Anschluss PI des Eingangskopplers 11 ist mit dem ersten Leistungsteiler 3 verbunden und empfängt den anderen Teil des Eingangssignals. Der Anschluss P4 des Eingangskopplers 11 ist, zum Beispiel wie in Fig. 1 gezeigt, mit einer 50 Ohm Leitung gegen Masse abgeschlossen. Der andere Teil des Eingangssignals wird nun mittels des Eingangskopplers 11 in eine In-Phase- (I) und eine Quadraturkomponente (Q) an den Ausgangsanschlüssen P2 und P3 entsprechend bereitgestellt. Die Quadraturkomponente (Q) ist um 90° phasenverschoben gegenüber der In-Phase-Komponente.

Der balancierte Verstärker 5 umfasst ein erstes Verstärkerelement 12 und ein zweites Verstärkerelement 13, die entsprechend mit dem Port 2 bzw. Port 3 des Eingangskopplers 11 verbunden sind und die entsprechende Komponente I, Q verstärken. Die beiden Verstärkerelemente 12 und 13 können gleich aufgebaut sein, also identisch sein. Nun sind die Verstärkerelemente 12 und 13 so aus gelegt, dass sie in einem dritten Leistungsbereich der HF-Leistungsverstärkerschaltung 1 arbeiten. Die Verstärkerelemente 12 und 13 können insbesondere Klasse C Verstärker sein. Hierbei können die Verstärkerelemente 12 und 13 so aus gelegt sein, dass sie erst einsetzen, wenn der zweite Leistungsbereich verlassen wird. Die Verstärkerelemente 12 und 13 arbeiten somit in einem dritten Leistungsbereich, zum Beispiel ausschließlich über dem zweiten Leistungsbereich. Hierbei können der zweite Leistungsbereich und der dritte Leistungsbereich durch einen Leistungsschwellenwert getrennt und benachbart sein. Der Leistungsschwellenwert gibt die Ausgangsleistung an, ab der die Verstärkerelemente 12 und 13 zu dem lastmodulierten Verstärker 4 zugeschalten werden.

Die ersten, zweiten und dritten Leistungsbereiche sind benachbarte Leistungsbereiche und können einen Dynamikbereich der HF- Leistungsverstärkerschaltung 1 darstellen.

Ferner hat der balancierte Verstärker 5 einen 90° Hybridkoppler als Ausgangskoppler 14. Der Ausgangskoppler 14 hat vier Anschlüsse PI, P2, P3 und P4. Der Anschluss PI des Ausgangskopplers 14 ist mit dem ersten Verstärkerelement 12 verbunden und empfängt eine der verstärkten Komponenten I, Q. Der Anschluss P4 des Ausgangskopplers 14 ist mit dem zweiten Verstärkerelement 12 verbunden und empfängt die andere der verstärkten Komponenten I, Q. Der Anschluss P3 des Ausgangskopplers 14 ist mit der Last RL verbunden. Hierbei stellt der Anschluss P3 gleichzeitig den Ausgang der HF- Leistungsverstärkerschaltung 1 dar.

Der Anschluss P2 des Ausgangskopplers 14 ist nun, anstatt mit einer 50 Ohm Leitung gegen Masse, mit dem Ausgang des lastmodulierten Verstärkers 4 verbunden. Im dritten Leistungsbereich bewirkt der lastmodulierte Verstärker 4 an den jeweiligen Ausgängen der beiden Verstärkerelemente 12 und 13 eine Lastmodulation. Hierdurch kann eine höhere Leistung am Ausgang des HF- Leistungsverstärkers 1 erzielt werden. Der dritte Leistungsbereich kann somit eine höhere Dynamik aufweisen. Insbesondere können die drei Leistungsbereiche durch entsprechende Leistungsschwellenwerte vorgegeben sein. Zum Beispiel sind die Leistungsschwellenwerte zwischen dem ersten und zweiten Bereich 36 dBm, dem zweiten und dritten Bereich 46 dBm und Obergrenze des dritten Bereichs 52 dBm, wie in Fig. 2 und 3 beispielhaft gezeigt. Somit kann effektiv der Back Off Bereich und der Dynamikbereich vergrößert werden ohne die Bandbreite der HF- Leistungsverstärkerschaltung 1 zu verschlechtern.

In den Fig. 2 und 3 sind die Effizienzen F _ei des HF-Leistungsverstärkers 1, F _e 4 des lastmodulierten Verstärkers 4 und F _e s des balancierten Verstärkers 5 schematisch als Funktionen der Ausgangsleistung P _aus dargestellt. Der Back Off Bereich ist zusätzlich in Fig. 2 und 3 angegeben, um einem Fachmann das Verständnis der hierin vorgeschlagenen Verbreiterung des Back Off Bereichs näher zu bringen. Hierbei sind die ersten, zweiten und dritten Leistungsbereiche (1. Bereich, 2. Bereich und 3. Bereich) ebenfalls schematisch angegeben, um zu verdeutlichen, wie sich die Effizienzen F _e 4 des lastmodulierten Verstärkers 4 und F _e s des balancierten Verstärkers 5 in den entsprechenden Bereichen zusammensetzen und zur Gesamteffizienz F _ei des HF-Leistungsverstärkers 1 beitragen.

Zur Erläuterung sind in den Fig. 4 und 5 die Ausgangsleistungen F _ai des HF- Leistungsverstärkers 1, F _a 4 des lastmodulierten Verstärkers 4 und F _a s des balancierten Verstärkers 5 schematisch als Funktionen der Eingangsleistung dargestellt. Hierbei sind die ersten, zweiten und dritten Leistungsbereiche (1. Bereich, 2. Bereich und 3. Bereich), genauso wie in Fig. 2 und 3, schematisch angegeben, um zu verdeutlichen, wie sich die Ausgangsleistungen F _a 4 des lastmodulierten Verstärkers 4 und F _a s des balancierten Verstärkers 5 in den einzelnen Bereichen zusammensetzen und zur Gesamtausgangsleistung F _ei des HF- Leistungsverstärkers 1 beitragen.

Es wird aus den Fig. 2 bis 5 klar, dass der HF-Leistungsverstärkers 1 kontinuierlich zwischen den ersten, zweiten und dritten Leistungsbereichen (1. Bereich, 2. Bereich und 3.Bereich) arbeitet. Ferner wird aus den Fig. 2 bis 5 klar, dass der balancierte Verstärker 5 sequentiell zum lastmodulierten Verstärker 5 beim Übergang vom 2. Bereich in den 3. Bereich betrieben wird.

Zusammengefasst betrifft die Kernidee gemäß dem Beispiel aus Fig. 1 ein Konzept für den Aufbau einer HF-Leistungsverstärkerschaltung 1, die sowohl über einen großen Ausgangsleistungsbereich als auch eine hohe Bandbreite hocheffizient arbeiten kann. Eine der Grundideen ist es, den balancierten Verstärker 5 mit dem lastmodulierten Verstärker 4 zu kombinieren. Dabei können beide Verstärker 4, 5 zunächst getrennt voneinander entworfen werden, was eine geringe Komplexität gewährleistet. Der erweiterte hocheffiziente Dynamikbereich kann somit in zwei wesentliche (Dynamik-)Bereiche unterteilt werden. Im unteren Bereich (erster und zweiter Leistungsbereich kombiniert, s.o.) arbeitet nur der lastmodulierte Verstärker 4. Im oberen Bereich (dritter Leistungsbereich, s.o.) arbeiten beide Verstärker 4, 5, wobei der wesentlich Leistungsbeitrag im oberen Bereich von dem balancierten Verstärker 5 geliefert. In diesem oberen Bereich ist der balancierte Verstärker 5 überwiegend für die Effizienz verantwortlich. Es kann ein Leistungsunterschied zwischen dem balancierten Verstärker 5 und dem lastmodulierten Verstärker 4 in einem Verhältnis von größer als 1/3, 1/5 oder 1/7 in diesem oberen Bereich gegeben sein.

Der balancierte Verstärker 5 verfügt ausgangsseitig über zwei Anschlüsse, wovon einer im gewöhnlichen Gebrauch mit einem Widerstand, z.B. 50 Ohm, reflexionsfrei bzw. reflexionsarm abgeschlossen wird. Stattdessen wird dieser Anschluss vorliegend genutzt um aktiv das Ausgangssignal des lastmodulierten Verstärkers 4 einzuspeisen. Somit verzichtet man an dieser Stelle auf einen klassischen Doherty Kombinierer der bekanntermaßen die Bandbreite limitiert. Durch den Einsatz eines sequentiellen Leistungsverstärkers mit aktiver Doherty Lastmodulation (S-PAD) als lastmodulierten Verstärker 4 kann diese Limitierung auch für den unteren Bereich aufgehoben werden. Des Weiteren können ebenso die HF-Verstärkerelemente 12, 13 des balancierten Verstärkers 5 als klassische Doherty Verstärker oder S-PADs vorgesehen sein. Somit kann bei gleichbleibender Komplexität der hocheffiziente Dynamikbereich beliebig erweitert und gleichzeitig eine hohe Bandbreite abgedeckt werden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Figuren dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

B ezugszeichenliste

1 HF -Leistungsverstärkerschaltung

2 Signalgenerator

3 erster Leistungsteiler

4 lastmodulierter Verstärker

5 balancierter Verstärker

6 zweiter Leistungsteiler

7 Phasenschieber

8 Trägerverstärker

9 Spitzenverstärker

10 Ä/4 Transformator

11 Eingangskoppler

12 erstes Verstärkerelement 13 zweites Verstärkerelement

14 Ausgangskoppler

RL Last

P1-P4 Anschlüsse F _e i-Fe5 Funktionen - Effizienzen

F _a i-Fa5 Funktionen - Ausgangsleistungen

Paus Ausgangsleistung