Diseño de amplificador de potencia clase E modo continuo para la banda de UHF en tecnología GaN HEMT

Abstract

En los últimos dos decenios, ha habido un progreso constante hacia el desarrollo de arquitecturas alternativas para los transmisores en sistemas de comunicaciones inalámbricas, con el objetivo de superar las limitaciones del tradicional esquema cartesiano. Estas nuevas arquitecturas buscan mejorar el equilibrio entre linealidad, que es un requisito clave para la mayoría de los formatos de modulación modernos, y eficiencia, un parámetro crucial para reducir el consumo energético de los amplificadores de potencia, que suelen ser uno de los mayores consumidores de energía. Entre estas arquitecturas destacan el esquema polar y el esquema Outphasing, los cuales aprovechan las ventajas de los amplificadores en modo conmutado, como el amplificador de clase E, operando bajo condiciones de modulación de la alimentación o de la impedancia de carga. Sin embargo, dado que la topología de clase E es intrínsecamente de banda estrecha, se plantea el desafío de lograr un funcionamiento cercano a la máxima eficiencia con bajas pérdidas de conmutación en un ancho de banda amplio. El objetivo de este Trabajo Fin de Grado es diseñar un amplificador de potencia para la banda de UHF, aprovechando la flexibilidad que brinda el espacio de diseño asociado con la continuidad de modos de clase E. Se seleccionará un transistor comercial adecuado de los disponibles en tecnología GaN HEMT, y se procederá a la extracción de sus parámetros y al análisis de su funcionamiento en los modos mencionados. Se prestará especial atención al diseño de la red de salida, tanto en la vía de polarización como en la vía de RF, con el fin de lograr altas prestaciones en eficiencia y una potencia de salida aproximadamente constante al operar con una carga de 50 Ω. Para ello, se utilizarán componentes concentrados de alta calidad. Como métrica de valor añadido, se abordará una operación óptima bajo resistencia de carga variable a la frecuencia central de diseño, para facilitar su futura integración en una arquitectura Outphasing. En concreto, el objetivo final es llevar a cabo la implementación física del diseño y demostrar, a través de la caracterización en el laboratorio, un comportamiento adecuado en el rango de frecuencias de 700 a 950 MHz, si es posible, competitivo con el estado actual de la técnica.

Over the past two decades, there has been steady progress towards the development of alternative architectures for transmitters in wireless communication systems, aiming to overcome the limitations of the traditional Cartesian scheme. These new architectures seek to improve the balance between linearity, which is a key requirement for most modern modulation formats, and efficiency, a crucial parameter for reducing power consumption in power amplifiers, which are typically among the largest energy consumers. Among these architectures, notable examples include the polar scheme and the Outphasing scheme, both of which leverage the advantages of switched-mode amplifiers, such as the Class E amplifier operating under modulation conditions that involve the power supply or load impedance. However, due to the inherent narrowband nature of the Class E topology, achieving near-maximum efficiency with minimal switching losses over a wide bandwidth presents a significant challenge. The objective of this Bachelor's Thesis is to design a power amplifier for the UHF band, taking advantage of the design space flexibility associated with the continuity of Class E modes. An appropriate commercial transistor from the available GaN HEMT technology will be selected, and its parameters will be extracted and analyzed in the mentioned modes. Special emphasis will be placed on the design of the output network, encompassing both the biasing and RF paths. The objective is to achieve high performance efficiency and maintain a relatively constant output power while operating with a 50 Ω load. This will be accomplished through the utilization of high-quality lumped components. Furthermore, an additional focus will be placed on optimizing operation under variable load resistance at the design's central frequency. This optimization will facilitate seamless integration into an Outphasing architecture, providing enhanced value and functionality. Specifically, the ultimate goal is to physically implement the design and validate, through laboratory characterization, proper behavior within the frequency range of 700 to 950 MHz, if possible, competitively with the current state of the art. This comprehensive evaluation will showcase the design's capabilities and potential advancements in wireless communication systems.