Amplificador em classe F para sistemas de transmissão polar

Abstract

Nos últimos anos, tem havido uma grande procura de sistemas capazes de oferecer elevadas taxas de transmissão e elevada mobilidade aos utilizadores. Por outro lado, o espectro electromagnético está cada vez mais ocupado, sendo, por isso, necessários sistemas que tenham elevada eficiência espectral. Estes motivos impulsionaram a utilização de técnicas de modulação linear, como Multi-level Quadrature Amplitude (M-QAM). Contudo, estas técnicas de modulação apresentam valores elevados de Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) e requerem uma amplificação linear. Nesse sentido, tem vindo a aumentar a investigação para o desenvolvimento de técnicas para melhorar a eficiência de PAs lineares, das quais se destacam a arquitectura Doherty e o transmissor polar. Neste trabalho aborda-se a transmissão polar, que opera num regime híbrido entre EER (eliminação e restauro da envolvente) e ET (seguidor de envolvente). O transmissor polar permite a utilização de amplificadores altamente eficientes a operar em comutação (Classe D, E ou F) e, modulando a sua tensão de alimentação, consegue-se ter uma amplificação linear e eficiente. Esta dissertação insere-se na área de electrónica de rádio-frequência e visa o projecto, implementação e teste de um amplificador de potência a operar em classe F, para incluir num transmissor polar, utilizando transístores de elevada mobilidade electrónica (HEMT), baseados na tecnologia Nitreto de Gálio (GaN). O amplificador em Classe F é aqui estudado e implementado com linhas de transmissão para a frequência de 900 MHz, conseguindo-se obter uma PAE prática superior a 72% e uma potência de saída de 10W. O seu desempenho medido experimentalmente, variando a tensão de alimentação de dreno, evidencia um bom comportamento num transmissor polar. Observa-se, ainda, um melhor desempenho comparativamente a um amplificador de potência em classe E.

In recent years there has been a great demand for systems capable of providing higher data rates and high mobility for users. On the other hand, the electromagnetic spectrum is becoming increasingly occupied, hence the need for systems with a high spectral efficiency. These reasons have boosted the use of linear modulation techniques such as Multi-level Quadrature Amplitude (M-QAM). However, these modulation techniques show high values of Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) and require linear amplification. Therefore, research into the development of techniques to improve the efficiency of linear PAs has been growing, with greater emphasis on the Doherty architecture and the polar transmitter. This work deals with the polar transmitter, which operates in a hybrid scheme between EER (Envelope Elimination and Restoration) and ET (Envelope Tracking). The polar transmitter allows the use of highly efficient amplifiers operating in switching (Class D, E or F) and, by modulating its supply voltage we can have a linear and efficient amplification. This dissertation is part of the radio frequency and microwave electronics area and is intended to design, implement and test a power amplifier operating in class F, for use in a polar transmitter using high electron mobility transistors (HEMT), based on the Gallium Nitride technology (GaN). The Class F amplifier is studied here and implemented with transmission lines at the frequency of 900 MHz, achieving more than 72% efficiency, with 10 W output power. The measured performance of the class F power amplifier, while varying the drain supply voltage, showed a good performance in a polar transmitter. Moreover, the class F amplifier performed better when compared with a class E amplifier.