TU Darmstadt / ULB / TUprints

Rekonfigurierbare Filternetzwerke für frequenzabstimmbare digitale Leistungsverstärker

Schuster, Christian (2021):
Rekonfigurierbare Filternetzwerke für frequenzabstimmbare digitale Leistungsverstärker. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017378,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
21-12-2020_Schuster_Christian.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commerical, No-derivatives.

Download (5MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Rekonfigurierbare Filternetzwerke für frequenzabstimmbare digitale Leistungsverstärker
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit werden rekonfigurierbare Filternetzwerke für flexible und energieeffiziente Transceiver umfassend behandelt. Dabei werden diese für den Empfangs- und Sendepfad in rekonfigurierbaren Transceivern für Mobilfunkbänder bis 6 GHz in planarer Mikrostreifenleitertechnik untersucht und mittels Labordemonstratoren validiert. Für die Implementierung von rekonfigurierbaren Filternetzwerken innerhalb eines HF-Frontends werden unterschiedliche Anforderungen an die Komponenten im Sende- und Empfangspfad gestellt. Im Rahmen einer systematischen Technologieevaluation werden kommerzielle Varaktoren in Halbleiter- und BST-Dünnfilm-Technologie sowie experimentelle Varaktoren in BST-Dickfilm-Technologien in Bezug auf ihre Klein- und Großsignaleigenschaften systematisch untersucht und verglichen. Hierbei konnte das hohe Potential von BST-Dickfilm-Varaktoren für Leistungsanwendungen innerhalb eines Filternetzwerks mit einer Leistungstragfähigkeit von ≈ 40 dBm und einer hohen Linearität mit einem IIP3 von über 42 dBm nachgewiesen werden. Die kommerziellen BST-Dünnfilm-Varaktoren erreichen fast die gleiche Performanz wie die BST-Dickfilm-Varaktoren, jedoch mit einer deutlich reduzierten Reaktionszeit. Für den Empfangspfad werden verschiedene rekonfigurierbare Bandpassfilter mit einer kontinuierlich unabhängig abstimmbaren Mittenfrequenz und Bandbreite bei einer konstanten definierten Filter-Charakteristik vorgestellt. Mit den in dieser Arbeit hergeleiteten Ansätzen konnte unter anderem ein rekonfigurierbares Hairpin-Filternetzwerk im Frequenzbereich zwischen 3 GHz und 4 GHz realisiert werden, welches neben einer Mittenfrequenzabstimmbar- keit eine hohe Bandbreitenabstimmbarkeit von bis zu 88 % bei einer konstanten definierten Tschebyscheff-Charakteristik auf weist. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung neuartiger rekonfigurierbarer Ausgangsfilternetzwerke für digitale Leistungsverstärker. Hierbei konnte ein vielversprechendes allgemeines analytisches Entwurfskonzept für rekonfigurierbare Multi-Bandstopp-Tiefpassfilter entwickelt werden. Dieses Filterkonzept zeichnet sich durch eine skalierbare Abstimmbarkeit der Arbeitsfrequenz und eine hohe Linearität sowie Leistungstragfähigkeit, eine geringe Eigenaussteuerung sowie eine im Vergleich zu abstimmbaren Bandpassfiltern geringere Einfügedämpfung bei der Arbeitsfrequenz aus. Das Konzept wird im Rahmen dieser Arbeit in verschiedenen Filtertopologien realisiert und validiert. Die Implementierung mittels eines integrierten Multi-Bandstopp-Tiefpassfilters bietet neben einer kompakten Realisierung einen hohen Abstimmbereich der Arbeitsfrequenz von 1 GHz bis 3 GHz mit einer geringen Einfügedämpfung von maximal 1,8 dB und einer Leistungstragfähigkeit von über 43 dBm. Messung eines hybrid integrierten digitalen Leistungsverstärker zeigen eine Ausgangsleistung von bis zu 32 dBm und eine Drain-Effizienz von bis zu 70 %. Das in dieser Arbeit entwickelte Konzept abstimmbarer Multi-Bandstopp-Tiefpassfilters schafft die Grundlage zur Realisierung energieeffizienter rekonfigurierbarer Transceiver mit über weite Frequenzbereiche abstimmbaren digitalen Leistungsverstärkern.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In this work reconfigurable filter networks for energy-efficient and flexible transceivers for cellular networks are investigated. Filter networks in microstrip technology for the receive and transmit chain in a RF front-end for communication bands up to 6 GHz are investigated and validated under small and large signal conditions. For the implementation of reconfigurable filters within an RF front-end, different requirements are set depending on their implementation in the transmit or receive chain. In a systematic performance analysis, commercial varactors in semiconductor and BST thin film technology, as well as varactors in experimental BST thick film technology areinvestigated. Small and large signal parameters are analyzed and compared in detail. The great potential of BST thick film varactors is proven by the high power-handling capability of up to ≈ 40 dBm and a linearity with an IIP3 lager than 42 dBm of the implemented filter network. Commercial BST thin film varactors can nearly reach this performance, but are short on switching time performance. To select different frequency bands in a receiver chain, continuously tunable filters are derived. These feature independently controllable center frequency and bandwidth as well a constant filter characteristic. A reconfigurable Hairpin-Filter with a center frequency range between 3 GHz and 4 GHz reveals a high bandwidth tunability of up to 88 % with a constant Chebyshev characteristic within the overall tuning range of center frequency and bandwidth. The main focus of this work is the investigation of novel reconfigurable filters for the application in digital power amplifiers. A promising analytic design concept for tunable multi-bandstop lowpass filters is developed. This approach allows very high frequency tunability, high linearity, high power handling and low insertion loss compared to reconfigurable bandpass filters. The multi-bandstop lowpass filter concept is investigated in different topologies. The most promising, integrated topology, offers a compact realization with a high tuning range of operation frequencies between 1 GHz and 3 GHz, an insertion loss lower than 1,8 dB and high power-handling capability better than 43 dBm. Measurements of a hybrid integrated digital power amplifier shows an output power of up to 32 dBm and a drain effciency of up to 70 %. The concept of tunable multi-bandstop lowpass filters developed in this work is the basis for the development of energy-efficient reconfigurable transceiver systems with digital amplifiers which can be operated over wide frequency ranges.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xii, 181 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics
Date Deposited: 28 Jan 2021 10:06
Last Modified: 28 Jan 2021 10:06
DOI: 10.26083/tuprints-00017378
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-173785
Referees: Jakoby, Prof. Dr. Rolf and Heinrich, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 8 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17378
Export:
Actions (login required)
View Item View Item