Inversor clase E a GaN HEMT en la banda de UHF para control por frecuencia

Abstract

La evolución de los sistemas de comunicaciones hacia el uso de formatos de modulación digital de elevada eficiencia espectral impone requisitos muy exigentes, tanto en términos de linealidad como de eficiencia energética, a las etapas de amplificación de potencia en radiofrecuencia (RF). Entre las técnicas utilizadas para satisfacerlos, se encuentran las arquitecturas con alimentación dinámica, en las que un amplificador o modulador de envolvente ha de proporcionar una tensión de alimentación capaz de seguir la variación temporal de la envolvente de la señal. Los elevados valores de ancho de banda y relación potencia pico a potencia promedio (PAPR) de las señales a transmitir hacen que, para dicho modulador, sea necesario utilizar un convertidor de corriente continua (CC) a corriente continua de elevada eficiencia energética y respuesta muy rápida. En este Trabajo de Fin de Máster se abordará el diseño, implementación y caracterización de un inversor clase E, basado en un transistor de alta movilidad electrónica en Nitruro de Galio (GaN HEMT), capaz de operar en la banda de ultra alta frecuencia (UHF). Este desempeñará las funciones de modulador de envolvente en su futura integración en un convertidor CC/CC doble clase E con control por frecuencia. Se buscará conseguir en el inversor o amplificador de potencia (AP) a diseñar una elevada eficiencia energética a lo largo de un rango de control de potencia lo más amplio posible de acuerdo al estado de la técnica. Tras llevar a cabo la implementación física del diseño, se caracterizará en el laboratorio, evaluando su comportamiento frente a variaciones en la frecuencia de conmutación para validar su viabilidad como etapa base de un futuro convertidor CC/CC resonante de doble clase E con control por frecuencia, capaz de operar como modulador de envolvente.

The evolution of communication systems towards the use of digital modulation formats with high spectral efficiency imposes very demanding requirements on radiofrequency (RF) power amplification stages, both in terms of linearity and energy efficiency. Among the techniques employed to meet these demands are dynamic power supply architectures, in which an amplifier or envelope modulator must provide a supply voltage that closely follows the temporal variations of the signal envelope. The high bandwidth and peak-to-average power ratio (PAPR) values of the signals to be transmitted require that this modulator incorporate a highly energy-efficient and fast response DC-DC converter. This Master's Thesis addresses the design, implementation, and characterization of a Class-E inverter based on a Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor (GaN HEMT), capable of operating in the Ultra High Frequency (UHF) band. This inverter is intended to function as an envelope modulator in its future integration into a frequency controlled dual Class-E resonant DC-DC converter. The goal of the project is to achieve high energy efficiency in the designed inverter or power amplifier (PA) over the widest possible power control range, in accordance with the current state of the art. Once the physical implementation of the design is completed, it will be characterized in the laboratory to evaluate its behavior under variations in the switching frequency, thereby validating its feasibility as the core stage of a future frequency-controlled dual Class-E resonant DC-DC converter operating as an envelope modulator.