On the design of high-efficiency RF Doherty power amplifiers
- Autores: Mehran Yahyavi
- Directores de la Tesis: Eduard Bertran Albertí (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Ramon Lázaro Guillén (presid.), Jordi Berenguer i Sau (secret.), Teresa María Martin Guerrero (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
Los amplificadores de potencia (PAs) son uno de los elementos más importantes para los transmisores inalámbricos desde el punto de vista del consumo energético. Un aspecto muy importante es su eficiencia energética, un concepto relacionado con el back-off de salida (OBO), que a su vez viene condicionadpo por el PAPR de la señal modulada a amplificar. Una baja eficiencia de los PA hace que la pérdida de energía se manifieste en forma de calor. De hecho, esta cuestión conduce al incremento de los costes y tamaño, esto último por los radiadores. Además, el compromiso entre la linealidad y la eficiencia en los PA es otro problema importante.
Para hacer frente a las circunstancias que producen la degradación de la eficiencia, el amplificador de potencia tipo Doherty (DPA) es una de las técnicas más útiles que proporcionan una buena eficiencia incluso para los altos PAPR comunes en señales de comunicación modernos. Sin embargo, el limitado ancho de banda (BW) de este tipo de PA (alrededor del 10% del ancho de banda fraccional) y su importancia (en los sistemas inalámbricos modernos, tales como LTE, WiMAX, Wi-Fi y sistemas de satélites) han animado a los investigadores para mejorar este inconveniente en los últimos años. Algunos aspectos típicos que limitan el BW en los DPA son: i) transformadores de longitud de cuarto de onda, ii) redes de compensación de fase y circuitos de adaptación de salida, iii) compensación de las líneas y los dispositivos no ideales. Los transformadores de cuarto de onda actuan como un inversor de impedancia en la técnica de modulación de carga de la DPA "("load modulation"). Concretamente, el objetivo futuro de diseño de DPA es disminuir el impacto de estos problemas.
En este contexto, esta tesis doctoral se centra en mejorar el ancho de banda fraccional de DPA utilizando los nuevos métodos que están relacionados con el uso de transformadores de impedancias en vez de inversores en el subcircuito de modulación de carga. Este estudio tiene dos niveles. En primer lugar, se presenta una novedosa estructura del DPA de banda ancha usándose dispositivos de GaN en la banda de 2,5 GHz con un divisor Wilkinson asimétrico. El transformador de impedancias de la arquitectura propuesta se basa en una red de adaptación, incluyendo una línea cónica con múltiples secciones del transformador en la etapa principal. El BW de este DPA ha sido de 1,8 a 2,7 GHz. Además, se obtiene una eficiencia de drenador de más del 33% en todo el BW, tanto a nivel de potencia máxima como a nivel del OBO.
En segundo lugar, aprovechando los beneficios de un adaptador de Klopfenstein, se propone un nuevo diseño del DPA. Con la sustitución de la lina conica por el Klopfenstein se reduce el coeficiente de reflexión de transformador de impedancias.
Sobre un prototipo práctico de esta nueva estructura del Doherty, en la banda de 2,25 GHz, se ha demostrado que el BW resultante se incrementa en comparación con la topología convencional mientras se mantienen las cifras de eficiencia. Por otra parte, en este estudio se demuestra que el diseño basado en el Klopfenstein permite una afinación fácil del retardo de grupo a través de la reactancia de salida del taper, lo que resulta en un ajuste más sencillo que otros diseños publicados recientemente en el que el transformador de cuarto de onda se sustituye por multi-líneas de transmisión de la sección (híbridos o similar). Los resultados experimentales han mostrado un 43-54% de eficiencia de drenador sobre 42 dBm de potencia de salida, en el intervalo de 1,7 a 2,75 GHz. Concretamente, los resultados presentados en esta nueva estructura tipo-Doherty implican una técnica de modulación de carga que utiliza una combinación de un Klopfenstein junto con un transformador de múltiples secciones con el fin de obtener un alto ancho de banda con la eficiencia habitual en DPAs.
