Diseño de amplificador clase-E/F2 de alta eficiencia en banda ISM (915 MHz)

Abstract

RESUMEN: Con los constantes avances tecnológicos que se experimentan en la actualidad, la eficiencia energética de estos se ha convertido en uno de los principales factores a considerar por los diseñadores. La razón reside en que los costes de mantenimiento de la gran mayoría de estos sistemas se ven fuertemente afectados por la energía que estos consumen, ya se trate de combustibles fósiles o electricidad. En este último caso se han utilizado numerosas técnicas para combatir las ineficiencias no deseadas en estos sistemas, se buscan baterías más duraderas, más rápidas de cargar, compactas y en algunos casos incluso la ausencia de estas, sustituyéndolas por sistemas de alimentación inalámbrica. La transmisión de energía sin necesidad de un medio que haga de canal se ha desarrollado ampliamente utilizando sistemas de transmisión de ondas de radiofrecuencia para la comunicación, sin embargo, estas también pueden ser usadas para el envío de energía simplemente, ondas que transportan solo potencia y no un mensaje codificado. Ya sea para información o energía, se requiere que la mayor parte de la potencia que se pretende trasladar inalámbricamente de un dispositivo a otro lo haga con las mínimas perdidas posibles, ya que, si estas son muy elevadas resultará un sistema altamente ineficiente y caro de mantener. Uno de los componentes culpables del alto consumo de energía en sistemas de transmisión de ondas de RF es sin duda el amplificador de potencia. Este elemento requiere de una fuente de alimentación que le proporcionará la energía que utilizará para amplificar las señales que se le introducen, lo que se espera es que este utilice la mayor parte posible de esta energía en cumplir su objetivo y que disipe la mínima parte posible en forma de calor. En este trabajo se propone el diseño de un amplificador de potencia que permita la amplificación de ondas de radiofrecuencia para el transporte de energía en sistemas de alimentación inalámbrica. Para obtener buenos perfiles de eficiencia se optará por un transistor de GaN HEMT haciendo uso de una topología clase E/F2. Una vez diseñado se implementará en el laboratorio, posteriormente haciendo las medidas pertinentes para observar el funcionamiento en términos de eficiencia energética resultante y otros parámetros de interés.

ABSTRACT: With the constant technological advances that are currently experimented, energetic efficiency has become one of the principal factors to be considered by designers. The reason being is that costs of maintenance of the vast majority of these systems are strongly affected by the energy they consume, whether it is fossil fuels or electricity. In this last case, numerous techniques have been utilized to confront the non-desired inefficiencies in these systems, seeking longer lasting batteries, faster to charge, compact and even in some cases the absence of them, being replaced by remote power supply systems. Wireless energy transmission has been widely used in radiofrequency waves for communications, nevertheless, these can be also used for sending only energy, waves that transport power and not a codified message. Wether it is for energy or messages, it is required that the majority of the power that is pretended to send wirelessly from one device to another is sent with minimum losses, because if these are too high, the system will result in a highly inefficient one, also highly expensive to maintain. One of the main components, responsible of the high energy consumption in the process of sending RF waves is without a doubt the power amplifier. This element requires a DC power source that provides energy that it will use to amplify the signals that are introduced in it as input. It is expected that the amplifier uses the major part of this energy in achieving its objective and that it dissipates as minimum as possible as heat. In this project it is proposed to design a power amplifier that allows the amplification of RF waves focused in the transport of energy in wireless power supply systems. To obtain the best possible efficiency profiles a GaN HEMT transistor will be used, implemented with a class E/F2 topology. Once finished the design, it will be assembled in the laboratory, making the pertinent measurements to observe its energetic efficiency parameters.