Wideband power amplifier for wireless communications

Abstract

Em anos recentes, com o desenvolvimento das tecnologias de telecomunicações, a alocação do espetro de frequências tem crescido consideravelmente. Os utilizadores finais exigem aparelhos capazes de operar com tecnologias que suportam taxas de transmissão cada vez mais elevadas (3G e 4G LTE) com compatibilidade com tecnologias como 2G GSM e 2.5G GPRS. Para que um telemóvel possa operar com todas as referidas tecnologias necessita de até 5 PAs para cada uma, resultando em maiores custos e espaço ocupado devido ao numero de dispositivos usados, para não mencionar o problema logístico para o fabricante do telemóvel já que cada um destes dispositivos ´e, por norma, produzido por diferentes fabricantes. Como as referidas tecnologias têm de coexistir, é necessário que as estações base continuem a receber e transmitir sinais no largo espetro de frequências alocado. O PA numa estacão base é o elemento mais dissipativo e a necessidade de usar diversos amplificadores implica, além do custo dos componentes, um elevado consumo de potência DC que se traduz em custos de energia substanciais para a empresa de telecomunicações. Portanto, o uso de um transmissor para cada frequência central está a tornar-se inaceitável. Um amplificador de banda larga capaz de operar dentro do espetro de frequências alocado e de suportar todas as normas de cada tecnologia, garantindo elevados níveis de potência de saída, linearidade e eficiência pode ser a solução para estes problemas. Esta tese foca-se no estudo do amplificador de banda larga. É apresentada uma comparação teórica de diversas arquiteturas de amplificadores de banda larga e é descrito e analisado o projeto e teste de um amplificador adaptado relativamente. São ainda conduzidos testes de depuração por forma a determinar as razões para a diferença observada entre as simulações e o os resultados medidos.

In recent years, with the development of telecommunication technologies, the frequency spectrum allocation has grown considerably. End users are requiring devices capable of operating with technologies supporting increasingly high data rates (3G and 4G LTE) with backward compatibility with technologies such as 2G GSM and 2.5G GPRS. For a mobile phone to work with all the referred technologies it must have up to ve PAs for each one, resulting in higher costs and occupied space due to the number of devices used, not to mention the logistic problem for the phone manufacturer since each of these devices is usually produced by di erent manufacturers. Since the referred technologies have to coexist, base stations are required to keep receiving and transmitting signals in the broad frequency spectrum allocated. A PA in a base station is the most dissipative element, and the need for several ampli ers implies, other than component cost, high DC power consumption which translates into substantial energy costs for a telecommunication company. Therefore, the use of a transmitter for each center frequency is becoming unacceptable. A wideband ampli er capable of operating within the allocated frequency spectrum and supporting all technology standards, granting high output power levels, linearity and e ciency can be the solution for these problems. This thesis focus on the study of the wideband ampli er. A theoretical comparison of several wideband ampli er architectures is presented and the design and testing of a reactively matched ampli er is further described and analyzed. Debugging tests are conducted in order to determine the reasons for the diferences observed between simulations and the measured results.