Linealización de amplificadores de potencia de alto rendimiento sobre tecnología GaN mediante técnicas EER/ET

Tena Ramos, David (2020). Linealización de amplificadores de potencia de alto rendimiento sobre tecnología GaN mediante técnicas EER/ET. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65023.

Description

Title: Linealización de amplificadores de potencia de alto rendimiento sobre tecnología GaN mediante técnicas EER/ET
Author/s:
  • Tena Ramos, David
Contributor/s:
  • Ortega González, Francisco Javier
  • Pardo Martín, José Manuel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM)
Department: Ingeniería Audiovisual y Comunicaciones [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

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 intrigándolos 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%. ----------ABSTRACT---------- Over the years, new communications systems evolve towards more complex modulation schemes in order to increase the data transmission rate and take advantage of the limited frequency spectrum. The goal is to allow greater data transmission capabilities and offer greater flexibility in wireless communications. However, this objective implies an increase in RF bandwidth and peak-to-average power ratio (PAPR) of the signals. Therefore, the PAPR value of the signals has become an important point when designing RF power amplifiers. Hence, to know the characteristics of these modulated signals should become the first step before designing the RF amplifier. The RF amplifier is usually the most responsible for the power consumption in the systems. Improving their performance will contribute to significantly reduce the size and cost of equipments. In addition, these amplifiers in combination with high-performance linearization architectures facilitate operation with high PAPR signals. The main element In a power amplifier is the active device. Continuous research in semiconductor technologies leads to improved performance of power amplifiers. A technology that is growing a lot in recent years is GaN HEMT. Its features make it suitable for use in switched power amplifiers. It has the advantages of Si devices (high power) as well as GaAs devices (high frequency). Different design techniques were employed in order to implement high power high efficiency RF power amplifiers. Load pull method with pre-adaptation of harmonic impedances was used in the design of a class F amplifier in L band whose prototype was able to delivery 45W output power with 70% drain efficiency controlling only the first two harmonics. The method based on the load admittance synthesis was used in the design of two suboptimal class E amplifiers: the L-band design delivers 180W output power with 85% drain efficiency from 900 MHz to 1500 MHz; the S-band design provides 14W output power with 79% drain efficiency from 2100 MHz to 2600 MHz. According to the author's best knowledge, these amplifiers exceed published designs in other works. RADAR systems are the main field of application of these high-efficiency RF amplifiers, where the signal does not show changes in the envelope. However, they can also be integrated in transmitters that use high PAPR signals in conjunction with high performance linearization architectures, such as EER and ET. In both, an envelope amplifier is responsible to modulate the power port of the RF amplifier. The envelope amplifier design is a crucial element of the system. Several transmitters were implemented by integrating amplifiers designed in EER or ET architectures. First, an EER transmitter was designed, consisting of a multiphase buck DC-DC converter assisted by a linear regulator and the implemented class F amplifier in the L-band. A 27% efficiency and ACPR levels above 30dB were achieved for 64QAM test signal. Secondly, an ET transmitter was designed using the same multiphase buck DC-DC converter (without linear regulator) and the class F amplifier (working in its linear zone). In this case, 33% efficency and ACPR levels greater than 28dB were reached for the same test signal. Comparing both architectures, the influence of the linear regulator is clear in efficiency and linearity figures of the systems, even more when working with wideband envelope signals. Finally, a new hybrid EER technique is proposed, consisting of making the RF amplifier work in a mixed mode depending on the envelope level. This is achieved by digital signal processing. In this way, a hybrid EER transmitter was implemented from a multiphase buck DC-DC converter and the class E amplifier in L-band implemented. The hybrid EER technique solves some of the disadvantages in EER architecture, mainly those due to low envelope levels. IMD3 improvements of 10 dB were achieved because of a slight reduction in performance for a two-tone test signal. The system was also tested with an OFDM signal obtaining an improvement in the EVM of 7%.

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Item ID: 65023
DC Identifier: http://oa.upm.es/65023/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65023
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65023
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 27 Oct 2020 08:08
Last Modified: 27 Oct 2020 08:08
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