Effiziente Verstärkung ist in vielen Bereichen von essentieller Bedeutung. Insbesondere in Bereichen, in denen tragbare Geräte verwendet werden _» ist Effizienz eine wesentliche Einflussgröße um die Verwendungsdauer batteriebetriebener Geräte zu steigern.

Auch in anderen Bereichen steigt der Druck effiziente Verstärkung bereitzustellen. Dies ist zum einen dem zunehmenden regulatorischen Druck auf die Hersteller geschuldet zum anderen wird von den Abnehmern zunehmend nach sparsamen Geräten nachgefragt, um so die laufenden Kosten zu minimieren,.

Ein Bereich der besondere Anforderungen stellt ist der Bereich der Verstärkung hochfrequenter Signale, wie sie z.B. in Mobilfunksystemen verwendet werden,

Hier sind sowohl in den Basisstationen als auch in den tragbaren Geräten Leistungsverstärker im Einsatz.

Generell kann hierbei gesagt werden, dass Hochfrequenzsender das gewünschte Signal so linear wie möglich senden sollten, um Signalverzerrungen gering zu halten., Signalverzerrungen beeinflussen dabei nicht nur das eigene Signal sondern können auch benachbarte Sender-Empfänger-Systeme negativ beeinflussen. Mit dem zunehmenden Bedarf an Anwendungen mit hoher Bandbreite welche z.B. Breitband OFDM Signal mit hohen peak-te-average power ratios (PAP ) verwenden - z.B. bei Mobilfimksystemen der sogenannten 3. Und 4. Generation (GSM, UMTS, LTE), ergibt sich bei heutigen Sendern eine Leistungseffizienz von etwa 5 %.

Es ist daher ein großer Bedarf an hoch effizienten Sender und Empfängereinrichtungen vorhanden.

Insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten wirkt sich ein verminderter Leistungsbedarf positiv auf die Verwendungsdauer aus, bevor ein erneuter Ladezyklus notwendig wird.

Aber auch im Bereich der Basisstationen wirkt sich die Effizienzsteigerung positiv aus, da weniger Verlustleistung anfällt, die aufwändig gekühlt werden muss und zudem, mehr Leistung in das gewünschte Sendesignal übertragen werden kann. Somit können die laufenden Aufwendungen (OPEX - operating expenditure) für den Betrieb dramatisch reduziert werden.

Im Stand der Technik wurden bereits zahlreiche Techniken vorgeschlagen. US 7,432,765 beschreibt einen Verstärker, der eine Vielzahl von Verstärkungsstufen aufweist. Jedoch ist die vorgeschlagene Verstärkeranordnung kompliziert und erfordert eine Wandlung einer Spannung in ein Stromsignal um. anschließend den Strom, zu verstärken und wieder in Spannung zurück zu wandeln. Diese Anordnung ist zudem nicht besonders effizient. US 5,999,056 beschreibt einen Verstärker mit einem Impedanznetzwerk. Jedoch ist die vorgeschlagene Schaltung für breitbandige Signals nicht geeignet. Andere Lösungen verwenden z.B. Techniken, wie envelop elimination and restoration (EER) oder Polartransmitter, Envelop tracking, lineare Verstärkung mit mchtlinearen Komponenten (LINC) oder outphasing Techniken um. die Effizienz der Leistungsverstärker (PA - Power amplifier) im back-off Betrieb zu verbessern,

Eine weitere Technik ist die sogenannte Lastmodulationstechnik um die Energie-Effizienz von Leistungsverstärker (PA - Power amplifier) im back-off Betrieb zu verbessern.

Das der Lastmodulationstechnik zugrunde liegende Prinzip wird in Figur 1 dargestellt.

Dabei wird der Lastwiderstand (Filter), welcher von dem aktiven Gerät (PA) wahrgenommen wird, dynamisch angepasst. Die Anpassung (Control) erfolgt gemäß dem gegenwärtigen Eingangssignalpegel (In) so, dass der Spannungswechsel über Drain nach Source bzw. Kollektor zu Emitter im Gerät für eine bestimmte Ausgangsleistung (Out) maximiert wird.

Da Geräte eine Spitzeneffizienz zur Verfügung stellen, wenn sie in Spannungssättigung betrieben werden, fuhrt die Maximierung des Spannungswechsels für jede gegebene

Ausgangsleitung zu einem hoch-effizienten Betrieb eines Leistungsverstärkers über einen weiten dynamischen Bereich.

Lastmodulationstechniken können in aktive und passive Lastmodulationstechniken unterteilt werden.

Aktive Lastmodulationstechnik in der Ausführungsform sogenannter Doherty Verstärker stellen dabei den state-of-the-art für Hochleistungs-Basisstationseinrichtungen dar. Bei der Doherty Leistungsverstärkeranordnung moduliert ein zweiter Verstärker (Spitzenverstärker) aktiv die Last des Trägerverstärkers in dem er Strom auf die gemeinsame Last prägt. Bei der passiven Lastmodulationstechnik werden, entweder einstellbare oder schaltbare Bauteile in einem Lasttransformationsnetzwerk verwendet _» um die angelegte Last abhängig vom Hingangssignal anzupassen.

Eine solche passive Lastmodulationstechnik unter Verwendung von ΡΓΝ-Dioden als Schaltelement ist in Figur 2 dargestellt. Dort wird mittels der PIN-Diode die Last eingestellt.

Das Prinzip der Lastmodulation besteht dabei in der Änderung der Ausgangsleitungspegel durch eine Änderung der Last. Dabei stellt die Implementierung variierende Lastimpedanzen so, dass stets eine hohe Leistungseffizienz erzielt wird, eine große Herausforderung dar.

In Labien Lepine et al: "A Load Modulated High Efficiency Power Amplifier" IEEE 36th European Micro wave Conference, 2006 wird eine Lastmodulation vorgestellt, bei der Varaktoren, hergestellt in Silizium-auf-Glas Technik moduliert werden. Varaktoren stellen doch, eine extrem hochpreisige Lösung dar, die sieh zudem nicht integrieren lässt. Weiterhin ist die reproduzierbare Herstellung schwierig, so dass die Erzielung hoher Leistungsverstärkereffizienz mit den gewünschten Ziellasten am Leistungsverstärkerausgang kaum zu erzielen ist. Dies ist im Wesentlichen der Dotierung und der Dotierungspro fiel geschuldet. Als Ergebnis kommen allenfalls eine„optimierte" Effizienz über einen gegebenen PAPR Bereich von 4-5 dB erzielt werden, wobei außerhalb des Bereiches ein signifikanter Rückgang zu verzeichnen ist. In W.C.Edmund Neo et al.: "Adaptive ulti-Band Multi-Mode Power Amplifier Using Integrated Varactor-Based Tuneable Matching Networks", IEEE Journal of Solid-State

Circuits, 2006 wird eine weitere Technik vorgestellt, die jedoch die Linearität des

Leistungsverstärkers negative beeioflusst. Desweiteren ist das Anpassungsnetzwerk eher träge, so dass eine Verwendung im Mobil&nkbereich mit linearen Breitbandsignalen nicht möglich ist.

Eine weitere Technik findet sich in. Sung Won Chung et al.: "Asymmetrie Multilevel Outphasing Architecturc for Multi -Standard Transmitters" IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2009. Hier werden unterschiedliche Spannungsversorgungen in einem Linearverstärker mit nichtlinearen Komponenten (LIN ^' C) geschaltet. Hierbei muss ein immenser Aufwand .für die notwendigen Gleichspannungskonverter aufgewendet werden, was zu einem enormen Overhead führt. Weiterhin sind die einzusetzenden. Sch.altelem.ente für die Hochfrequenz stark. Effizienz bestimmend und. Geschwindigkeitsbestimmend. Die Verwendung unterschiedlicher Technologien erweist sich als schwierig und extrem, kostenintensiv.

In Sung Won Chung et al.: "Asymmetrie Multilevel Outphasing Transmitter using Class-E Pas with Discrete Pulse Width Modulation" IEEE International Microwave Symposium, 2010 wird daher auch, noch eine weitere Idee vorgestellt. Diese verwendet diskrete Puls- Weiten- Modulation für Leistungsverstärker im. Schaltmodus. Dabei beein.fl.usst das sinusoidal Eingangssignal zum. Leistungsverstärker im Schaltmodus die Effizienz in. dem die scharfkantigen Signale verwendet werden um die Leistungsverstärkereffizienz zu erhöhen. Dabei wird jedoch lediglich die Effizienz gegenüber einem. L. C System, verbessert, das für hohe PAPR Signale bekanntermaßen eine schlechte Effizienz aufweist. Es ergibt sich jedoch gegenüber üblichen Klasse-B Leistungsverstärkern kein Effizienzgewinn, so dass die dort vorgestellt Lösung allenfalls als Alternative in Betracht kommt. Hierzu ähnliche Systeme werden auch in US 5,999,056 und US 5,742,203 vorgestellt.

In Francesco Carrara et ab: "A 2.4GHz, 24 dBm SOI CMOS Power Amplifier with fuily Integrated Output Balun and S itched Capacitors for Load Line Adaptation" IEEE Power Amplifier Symposium, 2009 wird eine diskrete Lastschaltung in einer Silicon-on-Insulator

(SOI) CMOS Technologie vorgestellt. Jedoch ist der Selbstheizungseffekt von CMOS Geräten insbesondere bei Leistungsverstärkern konträr zu SOI Technologie. Daher kann in dieser Technologie keine integrierte Ldsung bereitgestellt werden. Somit ist die vorgestellte Lösung kostenintensiv und auch die Linearisierung bleibt nicht zufriedenstellend.

Ausgehend von den geschilderten. Nachteilen ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Lösung anzubieten, die einen oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik löst und somit eine verbesserte Effizienz zur Verfügung stellt. Die Aufgabe wird gelöst durch einen Leistungsverstärker für Hochfrequenzanwendungen im. Schaltermodus aufweisend ein diskret einstellbares Lastanpassungsnetzwerk und eine Gewiraisteuerung, wobei das Lastanpassungsnetzwerk und die Gewinnsteuerung gemeinsam ausgeführt sind. In einer weiteren Au.sfiihrungs.form der Erfindung, wird der Leistungsverstärker im Betrieb mit einem rechteckförmigen unipolaren Spannungssignal angesteuert,

Gemäß einer weiteren Auslührungsform der Erfindung weist die Gewinnsteuerung eine diskrete Modulation der Steuer-Spannung auf,

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Leistungsverstärker in CMOS- Technologie aufgebaut. Gemäß noch einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist der Leistungsverstärker integriert aufgebaut.

In einer noch weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung wird der Leistungsverstärker in einem Mobüfunksystem verwendet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Leistungsverstärker ein Bauteil eines Polartransmitter oder eines LINC Transmitter. Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren, näher dargestellt. In diesen zeigt:

Figur 1 das Prinzip der Lastmodulation eines Hochfrequenzleistungsverstärkers.

Figur 2 eine Implementierung eines geschalteten passiven Lastmodulation mittels PIN Diode. Figur 3 ein Blockdiagramm gemäß einer Ausführungsform der Erfindung

Figur 4 die hinzugewonnene Effizienz des Lei stungs Verstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und

Figur 5 die hinzugewonnene Effizienz des Leistungsverstärkers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in % , Gem einer Ausführungsform der Erfindung weiche exemplarisch als Blockdiagramm in Figur 3 wiedergegeben ist, weist ein Leistungsverstärker 10 einen oder mehrere hochfrequenzfähi ge Leistlingstransistoren 500 auf.

Obwohl im Blockdiagramm ein Feld Effekt- Transistor dargestellt ist, ist die Erfindung nicht auf diesen Typ beschränkt. Weiterhin können auch weniger oder mehr als die dargestellten Transistoren 500 Bestandteile des Lei stungs Verstärkers 10 sein. Eingangsseitig wird dem Leistungsverstärker 10 ein Hochfrequenztreibersignal an den Eingängen 200 zur Verfügung gestellt. Dieses Eingaiigssignal ist in der Figur 3 in der unteren Hälfte als reehteekförmiges unipolares Spannungssignal dargestellt. Mittels geeigneter Entkopplungseinrichtungen 400, z.B.. mittels Kondensatoren, wird aus dem Gleichspannungssignal ein Wechselspannungssignal erzeugt. Dieses Wechselspannungssignal ist in der Figur 3 in der unteren Hälfte als reehteekförmiges Wechsel spann ungssignal um 0 V dargestellt. Weiterhin wird dem Leistungsverstärker 10 ein Gewinn-Steuerungssignal Vg zugeführt. Das

Gewinn- Steuerungssignal Vg nimmt beispielsweise diskrete Werte an. Das Gewirm- Steuerungssignal Vg kann natürlich auch kontinuierlich oder quasi-kontinuieriieh über eine Kennfeldsteuerung geregelt werden. Obwohl in der Figur 3 ein Widerstand in der Zuführung dargestellt ist, ist die Erfindung nicht auf die Zuführung mittels eines Widerstandes beschränkt, sondern jegliche Art der Zuführung ist umfasst.

Aus der Überlagerung der Signale ergibt sich dann die am unteren Ende in Figur 3 dargestellt exemplarische Signalform, nämlich eine Modulation der Steuer-Spannung Diese Signalform wird zur Ansteuerung des/der Transistors/en 500 verwendet. Hierbei ist z.B. auch eine Schwelle Vth eingezeichnet, bei der sich die Eigenschaften, des Leistungstransistors 500 ändern.

Weiterhin weist der Leistungsverstärker 10 ausgangsseitig zu dem/den Transistor/en 500 ein Lastanpassungsnetzwerk 100 auf. Dieses Leistungsanpassungsnetzwerk 100 wird mittels eines Signales S gesteuert. Das Signal S kann dabei ebenso wie das Gcwinn-Steuerungssignal Vg diskret, quasi-kontinuierlieh oder kontinuierlich ausgeführt sein, Am Ausgang des Lastanpassungsnetzwerks 100 wird das Signal einer Antenne 200 zur Abstrahlung zugeführt.

Wie man ohne weiteres erkennt, ist sowohl das Lastanpassungsnetzwerk 100 als auch die Gewinn-Steuerung Vg als Bestandteil des Leistungsverstärkers 10 ausgeführt,

Hierdurch wird die Komplexität stark reduziert als auch eine erhebliche Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen Systemen erreicht.

Die vorgestellte Erfindung erlaubt die Integration mitteis CMOS Technologie,

Zudem erlaubt die gleichzeitige Bereitstellung eines Lastanpassungsnetzwerkes als auch einer Gewinnsteuerung die Komplexität zumindest einer der Komponenten zu verringern und gleichzeitig dennoch verbesserte Eigenschaften gegenüber bisherigen Lösungen zur Verfügung steilen zu können,

Durch die Erfindung wird somit erstmals eine integrierbare kostengünstige Leistungsverstärkung zur Verfügung gestellt, die insbesondere auch für breitbandige Signale mit hohem PAPR einsetzbar ist, Insbesondere erlaubt die Erfindung die Integration in Standard-CMOS Technologie, wodurch die Kosten bei gleichzeitigem Performancegewinn dramatisch gesenkt werden können. Aufgrund geringer Komplexität des eingesetzten Lastanpassungsnetzwerks 100 wird ein möglicher Verlust gegenüber anderen Lösungen erheblich reduziert, so dass sieh eine Steigerung der Effizienz um 30 % gegenüber zu einem Klasse-B Verstärker und mehr erzielt wird,

Durch die Verwendung einer Gewinn-Steuerung Vg welche die Gleichspannungsversorgung des Gates eines CMOS Leistungstransistors 500 moduliert können auch Signale hoher Bandbreite verarbeitet werden. Hierdurch werden die Nachteile bisheriger Steuerungen eliminiert,

Durch die Erfindung wird somit nicht nur eine verbesserte durchschnittliche Effizienz des Leistungsverstärkers 10 erreicht sondern auch die effiziente Verstärkung von breitbandigen PAPR Signalen ermöglicht. Hierdurch ermöglicht die Erfindung die Verwendung der vorbezeichneten. Leistungsverstärker in einem. Polartransmitter oder in einem LIN ^' C Transmitter.

Die gleichzeitige Steuerung der Ausgansleistung des Leistungsverstärkers 10 mittels der Gewinn-Steuerung Vg als auch, des Lastanpassungsnetzwerkes 100 erlaubt bei geeigneter Aufteilung die Verstärkung von breitbandigen amplitudenmodulierten Hochfrequenzsignalen.

Der durch die Erfindung gemäß einer Ausftihrungsform erreichbare Gewinn ist in Figur 4 exemplarisch dargestellt. Figur 4 zeigt dabei, die sogenannte power added efficiency des Leistungsverstärkers (PAE) für unterschiedliche, diskrete Lasteinstellungen des Lastanpassungsnetzwerkes 100. - ! 1 ~

Dabei zeigt die untere Kurve (NON), die Leistung des Leistungsverstärkers in Bezug auf die Eingangsleistung im nicht-optimierten Fall.

Für unterschiedliche Einstellungen des Lastanpassungsnetzwerkes 100 ergeben sich die weiteren, darüber liegenden Kurven.

In einem optimierten Leistungsverstärker 10 würde man nun jeweils das Lastanpassungsnetzwerk 100 so ansteuern, dass sich die jeweils am weitesten oben liegende Kurve ergibt.

Im dargestellten Fall, wird so mit einer ersten Einstellung des Leistungsanpassungsnetzwerkes 100 für eine Ausgansleistung von bis zu 22 dßm eine PA

PAE entsprechend Kurve A-l erhalten. Dabei wird das Leistungsanpassungsnetzwerk 100 mit einem ersten Signal Sl angesteuert. Ab einer Ausgangsleistung von circa 22 dBm wird das Leistungsanpassungsnetzwerk 100 mit einem, anderen Signal S2 angesteuert. Dieser Bereich entspricht dem Kurvenabschnitt A-2. Ab einer Ausgangsleistung von circa 23.5 dBm wird das Leistungsanpassungsnetzwerk 100 mit einem anderen Signal S3 angesteuert. Dieser Bereich, entspricht dem Kurvenabschnitt A-3. Ab einer Ausgangsleistung von circa. 25.8 dBm wird das Leistungsanpassungsnetzwerk 100 mit einem anderen Signal S4 angesteuert. Dieser Bereich entspricht dem Kurvenabschnitt A-4.

Im Ergebnis kann also ein Leistungsanpassungsnetzwerk mit beispielhaften 4 Einstellungen entsprechend den Steuersignalen Sl , S2, S3, S4 ausreichend sein um zusammen mit einer Gewinnsteuerung die Effizienz deutlich zu steigern.

Dies wird auch durch Figur 5 nochmals gezeigt. Dort wird der prozentuale Gewinn in PAE für unterschiedlich Ausgangsleistungen gegenüber dem nicht-optimierten Fall, dargestellt. Wie unschwer erkennbar ist. wird mittels der Erfindung eine Steigerung im beispielhaften Fall von mein- als 18 %, in Spitzen mehr als 30 % erreicht.

Durch die Eigenschaften der Erfindung wird auch der Einsatz in modernen

Mobilfunksystemen wie z.B. UMTS und LTE ermöglicht.

Insbesondere bei tragbaren Geräten kann der Einsatz der Erfindung zu einer erheblichen Verlängerung der möglichen Batterie-Laufzeit führen, da nun weniger Leistung bei der Verstärkung verloren geht.

Auch beim Einsatz in Basisstationen ist die Erfindung hilfreich, da nun ein geringer Aufwand für Kühlung zu betreiben ist und zudem eine bessere Leistungskonversion stattfindet. Beides wirkt sich positiv auf die aufzuwendenden Kosten bei Herstellung und Betrieb von

Basisstationen aus.