Load insensitive radio frequency power amplifiers

Abstract

Solid state power amplifiers (SSPAs) evolved significantly over the last few decades, mainly, due to the use of new transistor technologies, such as gallium nitride (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMTs), very advanced computer-aided design (CAD) software, and very effective digital pre-distortion (DPD) algorithms. This led to a considerable performance improvement, in terms of energy efficiency, output power, and linearity. To achieve this performance, power amplifier (PA) designers normally push the used transistors very close to their physical safe operating limits, and consider them to operate for a fixed output load. However, the designed PAs are used for many different industrial and/or telecommunication applications, and, in some cases, such as, for example, microwave cooking or massive multiple-input multiple-output (MIMO) fifth generation (5G) base stations (BSs), the output load of these amplifiers can change. Under this nonoptimal scenario, the used transistors will operate for non-nominal loads, and the PAs performance can be severely degraded. Moreover, in highly optimized designs, where the transistors are operated close to their safe limits, their reliability can be reduced or, in extreme cases, they can even be permanently damaged. Therefore, load insensitive PA architectures, and/or techniques that aim at reducing the load variation seen by the PA, are necessary to improve the performance under load varying scenarios. This thesis presents various strategies to improve load insensitiveness of PAs. The presented techniques are based on tunable matching networks (TMNs) and on the amplifiers’ drain supply voltage (VDS) variation. The developed TMNs successfully reduced the load variation seen by the PA, and its performance was greatly improved, for non-optimal loading, by also using the derived load dependent VDS variation. These different approaches were tested and validated on single-ended PAs and then, based on their advantages and disadvantages, the most promising technique – the supply voltage modulation – was selected for the design of a Doherty power amplifier (DPA), which is of paramount importance for telecommunication applications. Moreover, since in some applications the output load variation can be unpredictable, we also developed a complete quasi-load insensitive (QLI) PA system that includes an impedance tracking circuit and an automatic real-time compensation of the amplifier performance.

Os amplificadores de potência de estado sólido (SSPAs) evoluíram significativamente nas últimas décadas, principalmente devido à utilização de novas tecnologias de transístores, como os transístores de alta mobilidade (HEMTs) de nitreto de gálio (GaN), de ferramentas muito avançadas de projeto assistido por computador (CAD) e de algoritmos de pré-distorção digital (DPD) muito evoluídos. Isto levou a uma melhoria de desempenho considerável, em termos de eficiência energética, potência de saída e linearidade. Normalmente, para obter estes níveis de desempenho, os engenheiros projetam os amplificadores permitindo que os transístores utilizados operem muito perto do seu limite físico de funcionamento seguro e considerando que vão operar para uma carga fixa. No entanto, os amplificadores projetados são utilizados em diversas aplicações industriais e/ou telecomunicações e, em alguns casos, como por exemplo fornos micro-ondas ou estações base 5G, a sua carga de saída pode variar devido a várias causas, que podem ser previsíveis ou imprevisíveis. Neste cenário não ideal, os transístores utilizados operam para cargas não ótimas e o desempenho dos amplificadores pode ser muito degradado. Além disso, em projetos muito otimizados, onde os transístores são operados perto do seu limite de funcionamento seguro, a sua durabilidade pode ser reduzida ou, em casos extremos, podem até ser permanentemente danificados. Portanto, para melhorar o desempenho dos amplificadores em cenários de carga variável, são necessárias novas arquiteturas e/ou técnicas que visam reduzir a variação da carga vista pelos transístores utilizados. Esta tese apresenta várias estratégias para melhorar a insensibilidade dos amplificadores em relação à variação de carga. As técnicas apresentadas são baseadas em malhas de adaptação dinâmicas (TMNs) e na variação da tensão de alimentação dos amplificadores. As malhas de adaptação desenvolvidas permitiram reduzir a variação de carga vista pelo amplificador e a variação da sua tensão de alimentação permitiu melhorar o desempenho para operação com cargas não ótimas. Estas abordagens foram testadas e validadas em amplificadores baseados num só transístor, e, posteriormente, com base nas suas vantagens e desvantagens, a técnica mais promissora – a modulação da tensão de alimentação – foi selecionada para o projeto de um amplificador Doherty, que é imprescindível para telecomunicações. Além disso, como em algumas aplicações a variação da carga de saída pode ser imprevisível, também desenvolvemos um sistema completo que inclui um circuito de medida de impedância e compensação do desempenho do amplificador em tempo real.