Resumen de Contribución a la mejora del rendimiento y la linealidad de amplificadores de potencia de microondas para aplicaciones wimax
En los sistemas de comunicaciones la etapa de amplificación de potencia es una de las partes más importante, en donde los requerimientos principales son alto rendimiento, junto con alta potencia, ganancia y buena linealidad para permitir el envío de la información con mayor capacidad a mayor distancia. Casi nunca es posible maximizar simultáneamente todos los criterios del diseño de los amplificadores de potencia al mismo tiempo. Por lo tanto, la búsqueda de una solución de compromiso que permita una operación altamente eficiente, en términos de potencia, y una amplificación sin distorsión (linealidad), es un factor sumamente importante en la concepción de este tipo de subsistemas. Dentro de los requerimientos para mejorar los sistemas de comunicaciones inalámbricas, la reducción en el consumo de potencia es un factor crítico. Por lo tanto, el rendimiento es el desafío principal. Alto rendimiento implica una potencia de salida más alta para el mismo consumo de potencia DC o, a la inversa, una reducción notable de la potencia consumida en continua produciendo el mismo nivel de potencia de salida.
El rendimiento de los amplificadores de potencia microondas está limitado por los parámetros del dispositivo activo y por las condiciones de funcionamiento. Se puede obtener un alto rendimiento por una selección apropiada de punto de polarización o por un conformado apropiado de la forma de onda del tensión / corriente de la salida.
El objetivo principal de esta investigación, es el diseño de amplificadores de potencia de alto rendimiento y alta linealidad que se puedan utilizar en la tecnología WiMAX. En la primera parte, el funcionamiento de los amplificadores de potencia tradicionales (clase A, AB, B y C) se describe detalladamente de forma analítica y por la simulación. Como resultado de este estudio, los amplificadores de potencia clase AB son capaces de proporcionar un nivel de linealidad aceptable con un rendimiento entre 45% y 50 %. Este compromiso entre la linealidad y el rendimiento no es la solución satisfactoria, pero es inevitable para los amplificadores de potencia tradicionales. En la segunda parte, la manipulación de los harmónicos de la tensión de salida se presenta como la solución más eficaz para mejorar los funcionamientos de los amplificadores de potencia con el mismo nivel de linealidad que en clase AB. Hemos demostrado teóricamente mejoras notables en el rendimiento y en la potencia de salida, manipulando correctamente el segundo armónico de la tensión de la salida (2HT), el tercer armónico de la tensión de la salida (clase F) y el segundo y tercer armónicos (clase FG). Finalmente se ha estudiado el efecto del segundo harmónico de la tensión de la entrada en las clases F y 2HT.
Como validación de los resultados teóricos, se ha diseñado y realizado un amplificador de potencia a 3,5 GHz. Las medidas confirman la mejora obtenida por medio de la manipulación armónica sobre el amplificador clase J y TL (el segundo y el tercer harmónico de la tensión de salida están en cortocircuito). Los funcionamientos medidos en gran señal parecen ser muy interesantes. Una potencia de salida de 35.3 dBm se ha medido con un rendimiento en potencia añadida máxima del 57.7%. El rendimiento en potencia de salida es del 69.18% con un IMD3 de 19.1 dBc.
Finalmente, para mejorar la linealidad de los amplificadores de potencia de alto rendimiento, se acude a una técnica que utiliza diodos en el camino de polarización DC de la entrada del transistor. Esta técnica se aplicó a los amplificadores TL y 2HT. Esta solución ofrece una buena vía para mejorar la linealidad cerca de la zona de saturación del amplificador en comparación con el enfoque utilizando sólo una resistencia en el camino DC de la entrada del transistor. Un amplificador de potencia 2HT, basado en este concepto, se ha diseñado y realizado a una frecuencia de 2.5 GHz. Los resultados medidos confirman la mejora de la linealidad, en particular cerca de la zona de saturación como fue predicho por la simulación, manteniendo un alto rendimiento. En este caso se ha medido una potencia de salida de 36.8dBm con un rendimiento en potencia añadida asociado del 46,5% y un IMD3 de 53,4 dBc. Este amplificador tiene también buenos resultados en toda la banda de frecuencia de WiMAX (2.3-2.7) GHz.: potencia de salida entre (35-36,9) dBm con una ganancia asociada de 12,9 ± 0,9 y un rendimiento en potencia añadida entre (40-46) %.
