Multi-mode power amplifiers for mobile handsets

Abstract

In heutigen und zukünftigen mobilen Kommunikationssystemen muss eine Vielzahl von nebeneinander bestehenden Standards wie GSM, EDGE, WCDMA und LTE von den Mobiltelefonen unterstützt werden. Um die Komplexität und Kosten durch getrennte Funksysteme (Basisband, Sendeempfänger und "front-end") in den tragbaren Endgeräten zu reduzieren, ist die Implementierung eines einzelnen "multi-mode" Funksystems notwendig. Bisher wurde die multi-mode Tauglichkeit nur für Basisband und Sendeempfänger umgesetzt. Das front-end besteht nach wie vor aus getrennten Pfaden, die an jeden Standard individuell angepasst sind. In dieser Arbeit wird die multi-mode Tauglichkeit des front-end Leistungsverstärkers untersucht, wobei zwei wesentliche Ziele verfolgt werden: Erstens, die Verringerung des Stromverbrauchs über einen großen Ausgangsleistungsbereich unter Einhaltung hoher Linearitätsanforderungen. Zweitens, die Verringerung der Empfindlichkeit von Verstärkerparametern (z.B. Ausgangsleistung, Linearität) gegenüber Änderungen der Antennenimpedanz.<br />Es werden mehrere Verstärkerkonzepte rechnerisch untersucht und hinsichtlich dieser Aspekte bewertet. In diesem Zusammenhang wird eine auf Streuparameter basierte Berechnungsmethode vorgeschlagen, welche eine vereinheitlichte Analyse von Verstärkertopologien mit geschaltetem Ruhestrom und leistungskombinierten Transistorpfaden erlaubt. Damit können die Voraussetzungen für symmetrische Mehrtor-Leistungskombinationsnetzwerke und die Wirkungsgraderhöhung bei kleinen Leistungen zum ersten Mal allgemein abgeleitet werden.<br />Als Ergebnis der theoretischen Untersuchungen wird festgestellt, dass eine Verstärkertopologie mit leistungskombinierten Transistorpfaden ein multi-mode fähiges Design mit geringster Komplexität erlaubt. Der Stromverbrauch wird durch Abschalten eines Teils der Transistorpfade gesenkt und die Lastunabhängigkeit wird durch Einsatz eines Quadraturhybrids als Spezialfall eines Kombinationsnetzwerks erreicht.<br />Diese Grundidee wird zu einer "double balanced switched path" Topologie erweitert, die aus vier Pfaden für hohe Ausgangsleistung und zwei Pfaden für kleine Ausgangsleistung zwischen den internen isolierten Toren der Hybride besteht.<br />Eine detaillierte Analyse der gegenseitigen Beeinflussung von aktivierten und deaktivierten Pfaden zeigt theoretische Grenzen des Wirkungsgradgewinns in den einzelnen Betriebsmoden auf. Es wird daher eine Methode entwickelt, mit der es möglich ist, die Verstärkerpfade getrennt zu optimieren. Zum ersten Mal können dadurch die theoretischen Grenzen in allen Moden durch eine sehr zeiteffiziente Methode erreicht werden.<br />Schließlich wird der Prototyp eines solchen multi-mode Leistungsverstärkers in einer kostengünstigen 0.35 um SiGe Bipolar Technologie realisiert. Dieser erreicht bei 840 MHz eine maximale Ausgangleistung von 36.1 dBm mit einem Gesamtwirkungsgrad von 52 % im GSM Betrieb. Bei reduzierten Ausgangsleistungen von 27 dBm, 16 dBm und 13 dBm werden Wirkungsgrade von 37 %, 18 % und 15 % im WCDMA Betrieb erreicht. Im EDGE Betrieb bei 30 dBm Ausgangsleistung wird ein Gesamtwirkungsgrad von 30 % erreicht, der über einen dynamischen Ausgangleistungsbereich von 22 dB über 10 % gehalten werden kann. Dies wird durch geeignetes Schalten zwischen den fünf Betriebsarten des Verstärkers erreicht. Diese Werte sind vergleichbar mit jenen von getrennten Leistungsverstärkern, die einzeln für GSM/EDGE/WCDMA optimiert sind.<br />Die ausgezeichneten Messergebnisse, die für den realisierten Prototypverstärker erreicht wurden, bestätigen die Brauchbarkeit der Vorgehensweise und zeigen, dass es mit diesem Konzept möglich ist, die Anzahl unterschiedlicher Leistungsverstärker in momentanen front-end Architekturen zu reduzieren.<br />

In today's and future mobile communication systems mobile handsets have to support various coexisting standards like GSM, EDGE, WCDMA and LTE. To reduce the complexity and cost of separate radios (baseband, transceiver and front end) in the mobile terminal, the development of a single multi-mode radio is required. Up to now multi-mode capability is only implemented for the baseband and transceiver part. The front end still consists of separate paths for each standard. This work deals with the multi-mode capability of the front end power amplifier (PA), pursuing two main goals: First, reducing the current consumption over the large dynamic output power range, while maintaining high linearity. Second, reducing the sensitivity of PA parameters (e.g. output power, linearity) to antenna impedance variations.<br />Several PA concepts are computationally examined and rated regarding these issues. In this context a scattering parameter based method is developed, which permits a unified analysis of switched bias PA topologies with power combined transistor paths. Thereby the maximum efficiency at power back-off and the requirements for symmetrical multi-port power combiner networks can be derived for the first time. As result of these investigations it is found that a PA topology with power combiners permits a multi-mode capable design with lowest complexity. The current consumption is reduced by deactivating a part of the transistor paths and the load insensitivity is achieved by using a quadrature hybrid as special case of power combiner. This basic idea is extended to a so called double balanced switched path topology with four parallel high power (HP) paths and two low power (LP) paths, applied between the internal isolated ports of the quadrature hybrids. A detailed study of the mutual influence between activated and deactivated paths reveals theoretical limits of efficiency improvement in the various operation modes. A design procedure can be deduced to optimize the HP and LP paths separately. For the first time the theoretical limits can be met in all modes with help of this very time efficient procedure.<br />Finally, a prototype of this multi-mode PA is fabricated in a low cost 0.35 um bipolar SiGe technology. For experimental optimization a very time efficient load pull procedure is developed. In comparison to conventional load pull methods, the use of costly and complicated deembedding structures is avoided.<br />The optimized PA achieves a peak power of 36.1 dBm with 52 % PAE (power added efficiency) for GSM operation at 840 MHz. In back-off at 27 dBm, 16 dBm and 13 dBm efficiencies of 37 %, 18 % and 15 % for WCDMA signals were measured. For EDGE operation at 30 dBm a peak PAE of 30 % is achieved and held above 10 % over a dynamic output power range of 22 dB, by proper selection of the five amplifier modes. These performance characteristics are comparable to separate state-of-the-art single mode PAs, each optimized for GSM/EDGE/WCDMA.<br />The excellent results, obtained for the implemented prototype confirm the usefulness of the design procedure and the potential of the concept to reduce the number of different PAs in current front end architectures.