Amplificador de potência em classe E para comunicações sem fios

Abstract

Os transmissores de comunicação móveis clássicos baseiam-se em amplificadores lineares, que, ao longo dos tempos, mostraram ser limitados a nível de eficiência. Característica esta exigida quando a informação a ser enviada, é modulada em fase e em amplitude. Sistemas de comunicação como o GSM, que usam técnicas de modulação como o GMSK, onde a envolvente é constante, não necessitam de amplificadores lineares e recorrem, portanto, a amplificadores não-lineares procurando maior eficiência espectral. Actualmente, existem arquitecturas de transmissores que combinam diferentes configurações de amplificadores de potência, para obtenção simultânea de eficiência e linearidade, das quais se destacam a arquitectura Doherty e o transmissor polar. O transmissor polar, em particular, revelou-se muito promissor e engloba na sua arquitectura, amplificadores não-lineares e altamente eficientes, operando em classes D, E ou F. Esta dissertação insere-se na área de electrónica de rádio-frequência e descreve a realização de um amplificador de potência em classe E usando transístores de elevada mobilidade electrónica (HEMT), baseados na tecnologia Nitreto de Gálio. Foi notado, recentemente, que os amplificadores implementados nesta tecnologia oferecem vantagens inigualáveis ao nível de frequência de operação, potência de saída e eficiência. O amplificador classe E conta com uma configuração muito simples e atinge, em teoria, eficiência unitária. É aqui estudado e implementado com linhas de transmissão para a frequência de 900 MHz, com eficiência superior a 72%, capaz de fornecer uma potência de 10 W com um ganho de mais de 14 dBs.

The classic wireless transmitters are based on linear amplifiers, which have been proved to be limited in efficiency. Linear power amplifiers are required when the information being sent is modulated in phase and in amplitude. Mobile communications systems like GSM, based in GMSK, which use constant envelope modulation, do not need linear amplifiers and they use non-linear amplifiers for higher spectral efficiency. Modern transmitter architectures combine different power amplifier configurations to simultaneously achieve efficiency and linearity, including most importantly the Doherty’s architecture and the polar transmitter. The polar transmitter is a very promising topology and includes non-linear and efficient power amplifiers operating in class D, E or F. This thesis belongs to the radio frequency and microwave electronics area and describes a lass-E power amplifier’s construction using high electron mobility transistors (HEMT), based on the Gallium Nitride (GaN), an emerging semiconductor technology. It was noted that power amplifiers using this technology can provide high advantages in operation frequencies, output power and efficiency. The class-E power amplifier has a very simple configuration and can achieve unit efficiency. In this work, this configuration was studied and implemented at 900 MHz using transmission lines. The implemented amplifier allowed having more than 72% of efficiency, with 10 W output power and 14 dB Gain.