Title

Investigación sobre diseño de amplificadores de potencia clase F

Research about design of class F power amplifiers

Author

Manuel Cruz Soriano

Contributor

J. Apolinar Reynoso Hernández (Thesis Adviser)

Access level

Open Access

Summary or description

Con la creciente demanda de los sistemas de comunicaciones y el rápido desarrollo de la tecnología 5G, se deben diseñar dispositivos que logren una buena relación entre eficiencia, tasa de transmisión de datos y costos de operación, además de poder operar en RF. Uno de los dispositivos que pueden cumplir con estas características y que es parte importante de los sistemas de comunicación, es el amplificador de potencia. Los amplificadores de potencia pueden ser altamente eficientes y entregar a la salida del dispositivo una alta potencia; esto dependiente de la clase de operación y la tecnología del dispositivo activo usado en el diseño. El amplificador de potencia clase F es un fuerte candidato para cumplir con todos éstos requisitos, puesto que puede entregar alta eficiencia y alta potencia de salida, si se logra obtener la forma de onda de voltaje cuadrada y la forma de onda semi-sinusoidal rectificada para la corriente en el plano intrínseco. En este trabajo de tesis se estudió al amplificador de potencia clase F y se propuso un diseño a 2 GHz como frecuencia de operación. El método de diseño contempló el uso del modelo no lineal de un transistor AlGaN/GaN HEMT, la obtención de la carga óptima usando el sistema de Load-Pull y la síntesis de las redes de carga y acoplamiento a la salida del amplificador, además de un análisis en los diferentes planos de medición del transistor. El modelado del transistor GaN se realizó mediante un circuito eléctrico equivalente y un modelo no lineal. Para el diseño de la red de carga se siguió la teoría del amplificador clase F, la cual establece que se debe presentar un corto circuito para el segundo armónico y un circuito abierto para el tercer armónico. Sin embargo, en la práctica se demuestra que estas condiciones son muy difíciles de alcanzar, en especial el circuito abierto para el tercer armónico. Pero queda demostrado en este trabajo de tesis, que aun sin alcanzar completamente estas condiciones, es posible obtener un amplificador de potencia clase F con una alta eficiencia y un buen nivel de potencia de salida.

With the increasing demand of communication systems and fast development of 5G technology, devices must be designed to create a good relation between efficiency, data transmission rate and operating costs, beside being able to operate at RF frequencies. One of these devices that can fulfill with these characteristics and which is an important part of the communication systems, is the power amplifier. The power amplifiers can be highly efficient and give at the output a high power; this depends on the operation class and the active device technology used in the design. The class F power amplifier is a strong candidate to satisfy all these requirements, since, it can give a high efficiency and output power, if square voltage waveforms and a rectified semi-sinusoidal waveform for the current can be obtained in the intrinsic plane. In this thesis work the class F power amplifier is studied and a 2 GHZ operation frequency is considered. The design method considers the use of an AlGaN/GaN HEMT nolinear model transistor, obtaining the optimal load using the Load-Pull system and the synthesis of load and matching networks to the amplifier output, also an analysis in the different reference planes of the transistor is performed. The GaN transistor modeling, is done through an equivalent electric circuit and nolinear model. For the load network design, class F amplifier theory was followed, in which stablishes that a short circuit must be present for the second harmonic and an open circuit for the third harmonic. However, in practice those conditions are hard to reach specially for the open circuit of the third harmonic. But it is proved, in this thesis work, that even when it is not possible to reach at the optimal conditions is possible to get a class F power amplifier with a high efficiency and a good level of power output.

Publish date

2021

Publication type

Master thesis

Format

application/pdf

Language

Spanish

Citation suggestion

Cruz Soriano, M. 2021. Investigación sobre diseño de amplificadores de potencia clase F. Tesis de Maestría en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 141 pp.

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Repositorio Institucional CICESE

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