Linealización de amplificadores de potencia de alto rendimiento sobre tecnología gan mediante técnicas eer/et
- Autores: David Tena Ramos
- Directores de la Tesis: Francisco Javier Ortega González (dir. tes.), José Manuel Pardo Martín (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eliseo Amado Gonzáles (presid.), Jose David Osés del Campo (secret.), Gonzalo Expósito Domínguez (voc.), Angel Martínez Jiménez (voc.), Alejandro Gimeno Martín (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Sistemas y Servicios para la Sociedad de la Información por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
Los nuevos sistemas de comunicaciones evolucionan con el paso del tiempo hacia esquemas de modulación más complejos con el fin de incrementar la tasa de transmisión de datos y aprovechar el limitado espectro de frecuencia. El objetivo es permitir mayores capacidades de transmisión de datos y ofrecer mayor flexibilidad en las comunicaciones inalámbricas. Sin embargo, este objetivo implica un incremento del ancho de banda de RF y de la relación pico-medio (PAPR) de las señales.
Por consiguiente, el valor de PAPR de las señales se ha convertido en un concepto importante a la hora de diseñar amplificadores de potencia de RF. De ahí que conocer las características de estas señales moduladas deba convertirse en el primer paso antes de realizar el diseño del amplificador de RF.
El amplificador de RF es normalmente el mayor responsable del consumo de potencia en los sistemas. Mejorar su rendimiento contribuirá a reducir significativamente el tamaño y coste de los equipos. Además, estos amplificadores en combinación con arquitecturas linealización de alto rendimiento facilitan el funcionamiento con señales de alta PAPR.
En un amplificador de potencia el principal elemento es el dispositivo activo. La continua investigación en tecnologías de semiconductores conduce a la mejora de las prestaciones de los amplificadores de potencia. Una tecnología que está creciendo mucho en los últimos años es GaN HEMT. Sus características le hacen adecuado para su uso en amplificadores de potencia conmutados. Presenta las ventajas de los dispositivos de Si (alta potencia) así como la de los dispositivos de GaAs (alta frecuencia).
Diferentes técnicas de diseño fueron empleadas con el objetivo de implementar amplificadores de potencia de RF de alta potencia y alto rendimiento. El método load pull con pre-adaptación de impedancias armónicas fue empleado en el diseño de un amplificador clase F en banda L cuyo prototipo fue capaz de entregar una potencia de salida de 45W con un rendimiento del 70% controlando únicamente los dos primeros armónicos. El método basado en la síntesis de la admitancia de carga fue empleado en el diseño de dos amplificadores clase E subóptimos: el diseño en banda L es capaz de entregar una potencia de salida de 180W con un rendimiento del 85% desde 900 MHz hasta 1500 MHz; el diseño en banda S ofrece una potencia de salida de 14W con un rendimiento del 79% en la banda de 2100 MHz a 2600 MHz. Según los mejores conocimientos del autor, estos amplificadores superan los diseños publicados en otros trabajos.
Estos amplificadores de RF de alto rendimiento tienen como principal campo de aplicación los sistemas RADAR, donde la señal no presente cambios en la envolvente. Sin embargo, también pueden ser empleados en transmisores que usen señales de alta PAPR integrándolos con arquitecturas de linealización de alto rendimiento, como pueden ser EER y ET. En ambas, un amplificador de envolvente se encarga de modular el puerto de alimentación del amplificador de RF. El diseño del amplificador de envolvente es un elemento crucial del sistema.
Varios transmisores fueron implementados integrando los amplificadores diseñados en arquitecturas EER o ET. En primer lugar, se diseñó un transmisor EER y ET compuesto por un convertido buck multifase asistido por un regulador lineal y por el amplificador clase F en banda L implementado. Un rendimiento del 27% y unos niveles de ACPR por encima de 30dB fueron obtenidos para una señal de prueba 64QAM. En segundo lugar, un transmisor ET fue diseñado empleando el mismo convertidor buck multifase (sin regulador lineal) y el amplificador clase F (trabajado en su zona lineal). En este caso, un rendimiento del 33% y un nivel de ACPR superior a 28dB fueron alcanzados para la misma señal de prueba. Comparando ambas arquitecturas, la influencia del regulador lineal es patente en el rendimiento y linealidad de los sistemas, aún más al trabajar con amplios anchos de banda de envolvente.
Por último, se propone una nueva técnica EER híbrida consiste básicamente en hacer trabajar al amplificador de RF en un modo mixto en función del nivel de envolvente. Esto se consigue mediante procesado digital de la señal. De esta manera, un transmisor EER híbrido fue implementado a partir de un convertidor buck multifase y el amplificador clase E en banda L implementado. La técnica EER híbrida solventa algunos de los inconvenientes de la arquitectura EER, principalmente los debidos a bajos niveles de envolvente. Mejoras en el IMD3 de 10 dB fueron conseguidas a causa de una leve reducción en el rendimiento para una señal de prueba de dos tonos. El sistema también fue probado con una señal OFDM obteniendo una mejora en el EVM del 7%.
