Diseño de circuitos y esquemas de transmisión con alta eficiencia en tecnología GaN HEMT

Abstract

RESUMEN: En este trabajo se aborda la implementación de topologías de transmisión altamente eficientes. Estas arquitecturas buscan hacer frente al compromiso entre linealidad y eficiencia energética, uno de los principales retos tecnológicos actuales en el campo de las comunicaciones inalámbricas. Primeramente, se evalúan las capacidades de los dispositivos GaN HEMTs para su uso en las topologías antes mencionadas. Luego se aborda una metodología sencilla y eficaz para la implementación de amplificadores clase E eficientes. Luego se pasa a nivel de sistema, poniendo especial énfasis en los convertidores DC-DC usados como moduladores de envolvente). Partiendo de la idea original de los convertidores clase E2, introducida en la década de los 80, se proponen topologías que, combinando circuitos a GaN HEMT con diferentes técnicas de control, ofrecen figuras de mérito cercanas al estado del arte en términos de eficiencia, anchos de banda y manejo de potencia. Se propone además un transmisor denominado clase E3, que combina dichos convertidores con amplificadores clase E, en arquitecturas de transmisión tipo Envelope Tracking (ET), Envelope Elimination and Restoration (EER) e híbridas ET/EER, capaces de manejar señales con modulaciones complejas, logrando al mismo tiempo niveles de eficiencia y linealidad aceptables.

ABSTRACT: This work deals with the implementation of highly efficient transmitting architectures. These topologies intend to address the tradeoff between efficiency and linearity, one of the main technological challenges in modern wireless communications. This document departs from the evaluation of the capacity of GaN HEMT devices for their use in the above mentioned topologies. Then, a simple and effective methodology for the implementation of highly efficient class E amplifiers is proposed. Finally, system level architectures are treated, with special emphasis on case of the DC-DC converters to be employed as envelope modulators. Following the original idea behind the class E2 converter, introduced in the 80’s, novel implementation topologies are proposed, which combining GaN HEMT-based circuits with different control techniques, are able to offer figures of merit close to the state-of-the-art in terms of bandwidth, efficiency and power handling capabilities. A transmitter named class E3 is also introduced, for the implementation of highly efficient transmitter architectures as Envelope Tracking (ET), Envelope Elimination and Restoration (EER) and hybrid ET/EER, capable of handling complex modulated signals with an acceptable performance in terms of efficiency and linearity.