När man talar om framtida radiobasstationer är det mycket höga krav som målas upp. På längre sikt handlar det om att skapa lösningar som verkar från 450 MHz upp till 4 GHz, med modulationsbandbredder på 40 MHz upp till 100 MHz.
Där är vi inte idag. Men klart är att det ständigt filas på idéer för hur man ska kunna öka kapaciteten i radiobasstationer utan att energiförbrukningen eller kostnaden skjuter i höjden. Utvecklingen kring PA-steget i basstationen är en del i detta.

Mark Briffa

– Men det är mycket hype och många missuppfattningar inom detta område. Det gäller speciellt verkningsgrad och om vad som är lämpligt för en basstation, säger Mark Briffa, expert på PA-design på Huawei i Kista.

För att få en uppfattning om hur verkningsgraden i PA-steget ska kunna förbättras gäller det att titta på åtminstone tre nivåer: transistorns material, förstärkarens konstruktion i form av olika klasser och switchad karakteristik samt hela PA-arkitekturen med verkningsgradshöjande tekniker. Därutöver finns det självklart en hel rad andra parametrar, exempelvis linjäriseringsmetoder, som en basstationstillverkare måste ta hänsyn till i sitt val av teknik.

I dagens radiobasstationer används nästan uteslutande LDMOS ( lateral double-diffuse MOSFET) som effektförstärkare. Den främsta anledningen är att transistorn är gjord i kisel och är tillräckligt bra. Galliumnitrid, som både har bättre verkningsgrad och högre bandbredd, har länge hoppats på en plats i basstationen men ännu inte lyckats slå sig in.

Hur GaN-transistorer bäst ska ta sig in i basstationen är idag ovisst. Det beror delvis på vilka PA-arkitekturer som lyckas i framtida basstationer, liksom på utvecklingen på kiselsidan.

När olika effektförstärkare ställs mot varandra är det vanligt att jämföra verkningsgraden. En viktig detalj är dock att verkningsgraden hos en typisk effektförstärkare är maximal enbart då uteffekten är maximal. Minskar uteffekten, så minskar även verkningsgraden.
Eftersom radiosignaler och även basstationer nästan aldrig har maximal uteffekt är detta ett problem. Utmaningen är alltså att på något sätt skapa hög verkningsgrad även då uteffekten är låg.

En metod är att ändra matningsspänningen till transistorn, eftersom den maximala uteffekten beror på matningen. Spänningsmodulering har flera namn, Envelope Tracking (ET) och Envelope Elimination and Restoration (EER) är två.

Brittiska Nujira, som är en uppstickare inom området,  använder sin egen teknik, High Accuracy Tracking (HAT), som kombinerer de två ovannämnda. Företaget hävdar att tekniken kan förbättra verkningsgraden radikalt.

Spänningsmodulering passar väl med GaN av flera orsaker. Dels har GaN-transistorer möjlighet att matas med mellan 10 och 60 V, till skillnad mot LDMOS som klarar ett spänningsområde på som mest 15 till 30 V. Dels är spänningsmodulering mycket lämpad med en switchad konstruktion, vilket passar GaN eftersom transistorena måste vara väldigt snabba.

– Det skulle kunna hända att GaN-transistorer med någon form av spänningsmodulering kan bli bättre än dagens PA-arkitektur i framtiden. Samtidigt måste man veta  att modulatorn som styr spänningen till transistorn alltid ger en försämring av den totala verkningsgraden.

Doherty är annars den PA-arkitektur som dominerar idag. Här används två trick för att öka verkningsgraden. Grunden i Doherty är två parallella förstärkare, en som hela tiden används, kallad bärvågsförstärkare (carrier amplifier), och en som används då signalamplituden överstiger en viss nivå, kallad toppförstärkare (peaking amplifier). Därtill kommer att arkitekturen är lastmodulerad. Lastmodulering är, likt spänningsmodulering, en metod att höja verkningsgraden hos en effektförstärkare. Vid lastmodulering gör man det genom att på olika sätt påverkar lastimpedansen. I Doherty får man lastmodulering när toppförstärkaren är aktiv.

– Vi har gjort Doherty i många år nu och kommit dit att det numera är transistorerna som bestämmer verkningsgraden. Där kan man också tänka sig en öppning för GaN-transistorer, konstaterar Mark Briffa.

Läs även: Lika bra räcker inte för GaN (länk)