Amplificador de potencia clase E insensible a la carga basado en MOSFET

Abstract

RESUMEN: En la actualidad, el desarrollo de tecnologías cada vez más eficientes se viene aplicando en muchos sectores. Su objetivo, disminuir, tanto la emisión de gases de efecto invernadero, provocados en gran parte por la generación de la energía eléctrica, como los costes de operación asociados al consumo de los equipos. En especial, dentro del campo de RF/Microondas, se están desarrollando sistemas de transmisión inalámbrica eficientes que, por ejemplo, permitan reducir el elevado consumo eléctrico de las estaciones base de telefonía móvil o aumentar la duración de las baterías en los terminales. De este contexto, surge la idea del presente Trabajo de Fin de Grado, que consiste en llevar a cabo el diseño e implementación de un amplificador de potencia insensible a la carga, operando en clase E, a una frecuencia de 2 MHz. Para el desarrollo del proyecto, se utilizó como base, el transistor MOSFET IRF510 a 25 V, para el cual, fue necesario la creación de un modelo sencillo de tipo conmutación que permitiese realizar las simulaciones en condiciones de load pull. Como resultado final, se obtuvo una potencia de salida de hasta 39.37 dBm y un perfil de eficiencia similar en un ±10% del ancho de banda (1.8 – 2.2 MHz). El proceso seguido para la confección de este amplificador ha estado marcado por tres hitos principales. Primero, la necesidad de crear de un modelo sencillo de tipo conmutación para el IRF510. Luego, es necesario realizar una simulación bajo condiciones de load pull con la red de salida deseada. El último paso es encontrar un inversor de impedancias inductivo para colocar en la red de salida, el cual permita obtener la trayectoria óptima de modulación de la impedancia de carga y permitir mayores Back offs. Por las prestaciones del amplificador diseñado, puede ser utilizado, principalmente, para aplicaciones de transferencia de potencia inalámbrica en la banda ICM de 2.45 MHz. Debido a la proximidad entre la frecuencia de trabajo (2 MHz) y los 2.45 MHz de la banda ICM, podría implementarse fácilmente con ligeras modificaciones en los componentes de las redes de entrada y salida sintonizándolos a la nueva frecuencia.

ABSTRACT: Nowadays, the development of increasingly efficient technologies is being applied in many sectors. Its objective is to reduce both the emission of greenhouse gases, caused in large part by the generation of electrical energy, and the operating costs associated with the consumption of equipment. Particularly, within the RF/Microwave field, efficient wireless transmission systems are being developed, which, for example, allow reducing the high electrical power consumption of mobile phone base stations, or increasing the time among mobile phone’s batteries discharge. Within this frame of reference, the idea of this Final Degree Project arises, which covers accomplis- hing the design and implementation of a load insensitive power amplifier, operating in class E, at a frequency of 2 MHz. This project’s development has been based on the IRF510, a MOSFET transistor which needed the creation of a switching type simple model. This model should allow the simulations under load pull conditions instead of the model provided by the manufacturer which was not prepared for it. The design was made using the supply voltage of 25 V. In this framework, the prototype was able to reach an output power up to 39.37 dBm and hold on a similar efficiency profile within ± 10 % of the bandwidth (1.8 - 2.2 MHz). Three main milestones shepherded the process followed for the realization of this amplifier. First, the need to create a switching type simple model for the IRF510. Henceforth it is necessary to perform a simulation under load pull conditions using the desired output network. Finally, the last step, is to find an inductive impedance inverter to place it at the very end of the output network. Once this inverter is set properly, allows obtaining the optimal modulation path of the load impedance and higher back offs operations. Due to the performance of the designed amplifier, it can be used mainly, for wireless power transfer applications in the 2.45 MHz ISM band. Bearing in mind the proximity between the working frequency (2 MHz) and the 2.45 MHz of the ISM band, it can be easily synthesized with slight modifications to the input and output network components tuning them to the new frequency.