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Studio, progettazione e realizzazione di amplificatori di potenza per applicazioni wireless

Informazioni tesi

  Autore: Rocco Giofrè
  Tipo: Tesi di Dottorato
Dottorato in Sistemi e Tecnologie per lo spazio
Anno: 2009
Docente/Relatore: Paolo Colantonio
Istituito da: Università degli Studi di Roma Tor Vergata
Dipartimento: Dipartimento di Ingegneria Elettronica
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 209

Questo lavoro di ricerca copre diversi aspetti riguardanti gli amplificatori di potenza a RF per applicazioni di comunicazione wireless, nell’ambito dei sistemi di ultima generazione. Lo scopo ultimo è quello di fornire delle valide e ripercorribili linee guida, con basi sia teoriche sia pratiche, per la progettazione e realizzazione di PA capaci di rispondere efficacemente alle sempre più stringenti richieste di sistema in termini di linearità, efficienza di conversione, purezza spettrale, ecc.
La linea guida tra i diversi argomenti trattati è quella della ricerca di metodologie di progetto e topologie circuitali per PA che mirino alla massimizzazione della loro efficienza di conversione e, allo stesso tempo, capaci di descrivere come quest’ultima influenzi il contrastante aspetto legato alla loro linearità. In questo contesto, si sono sviluppati diversi studi teorici su come e quanto sia possibile migliorare le prestazioni ottenibili dai PA più comunemente usati in applicazioni con segnali ad inviluppo costante, quali ad esempio il Classe E e quelli a manipolazione armonica, e su come essi possano essere efficacemente sfruttati in applicazioni che invece fanno uso di segnali ad inviluppo variabile, tramite la loro integrazione in architetture di PA.
Inoltre, parte importante di questo lavoro di tesi ha riguardato l’amplificatore Doherty, indicato ormai da tutti come la soluzione più efficace per rispondere alla necessità di un’elevata efficienza di conversione per ampi intervalli di potenza d’uscita (elevati valori di PAPR). In questo caso il lavoro svolto ha riguardato lo sviluppo di un nuovo approccio teorico capace di descrivere e predire in modo rigoroso il principio di funzionamento di questo PA in funzione del livello del segnale al suo ingresso, che ha portato alla determinazione di un set di equazioni che ne permettono una rapida ma accurata progettazione CAD.

Questo lavoro di tesi è strutturato in sei capitoli, compreso questo.
Nel capitolo 2 viene svolta una panoramica generale sul mondo dei PA, mettendo in evidenza quelle che sono le debolezze e i punti di forza delle diverse configurazioni, al fine di fornire utili linee guida su come scegliere la metodologia di progetto più adatta a soddisfare le specifiche richieste dall’applicazione in cui il PA deve essere integrato.
Nel capitolo 3 sarà riccamente descritta e commentata la metodologia di progetto dell’amplificatore switching mode più usato, ovvero il Classe E, presentando un nuovo metodo di ottimizzazione della sua impedenza ottima per applicazioni ad alta frequenza. A prova della validità dell’approccio teorico sviluppato sarà presentato il progetto e la realizzazione di un Classe E a 2.14GHz in tecnologia LDMOS.
Nel capitolo 4 saranno richiamati i concetti alla base della teoria degli amplificatori current mode ed i relativi approcci basati sul controllo delle armoniche, che saranno poi utilizzati nell’introdurre e spiegare gli aspetti teorici innovativi a cui questo lavoro a portato. Ogni risultato teorico presentato è stato successivamente validato tramite la realizzazione di un prototipo ibrido o a volte monolitico, che ha consentito di evidenziare e risolvere numerosi problemi di carattere pratico legati alla realizzazione di questo tipo di PA.
Il capitolo 5 è interamente dedicato all’amplificatore Doherty. In particolare, sarà presentata l’analisi completa e non lineare di un amplificatore Doherty composto da un dispositivo polarizzato in Classe AB (Main) e uno in Classe C (Auxiliary). Tale tecnica è stata completamente rivista e riadattata alle esigenze moderne sviluppando un approccio teorico innovativo che ne consente la progettazione immediata al CAD. L’analisi è stata svolta considerando una terminazione armonica per il dispositivo Main di tipo Tuned Load e Classe F. I risultati sperimentali ottenuti dai prototipi realizzati sono in linea con quanto teoricamente atteso.
Nel capitolo 6 infine, saranno tratte le conclusioni di questo lavoro e evidenziati gli aspetti su cui, nell’idea di chi scrive, vale la pena investigare per migliorare le prestazioni dei PA studiati.

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Studio Progettazione e Realizzazione di Amplificatori di Potenza per Applicazioni Wireless     1    Capitolo 1 ‐  DESCRIZIONE DELLO SCENARIO    1.1 Introduzione  Nel  corso  degli  anni,  i  sistemi  e  gli  apparati  di  comunicazione  wireless  hanno  subito  una  vertiginosa  crescita,  che  ha  permesso  di  offrire  agli  utenti  innumerevoli  applicazioni  e  servizi  impensabili  al  tempo  in  cui  Guglielmo  Marconi faceva i primi esperimenti di trasmissione radio (1895).   Oggi giorno si sta parlando della cosiddetta quarta generazione di sistemi  wireless (4G), che dovrebbe offrire la possibilità di effettuare trasmissioni dati ad  elevata velocità fino a 1Gb/s. Considerando che ogni innovazione concettuale (es.  chiamata voce o videochiamata,  sms o mms ecc.)  che è  stata  introdotta, veniva  classificata come una nuova generazione di apparati, con il senno di poi, i sistemi  radio  che  hanno  accompagnato  l’evoluzione  dell’umanità  nel  corso  degli  anni  possono  essere  classificati  come  riportato  in  Tabella  1.1.  Ogni salto  “generazionale” ha spesso richiesto  lo  sviluppo di  standard di  comunicazione e  relative  tecniche  di modulazione  sempre  più  complessi  avendo  come  obiettivo  quello di migliorare l’utilizzazione delle risorse spettrali a disposizione.  I sistemi di prima generazione (1G) sono ormai stati dismessi con  l’eccezione del AMPS (Advanced Mobile Phone System) che negli Stati Uniti viene  ancora sfruttato, anche se solo come sistema ad accesso libero di  background.  Molti dei sistemi attualmente usati nelle diverse parti del mondo appartengono  alla seconda generazione (2G) basati soprattutto sullo standard GSM (Global  System for Mobile Communications), ma anche sui sistemi che usano tecniche di  accesso multiplo  a divisione di  codice  (CDMA).  In  realtà,  il  CDMA è visto come  un’evoluzione concettuale rispetto alla  tecnica di accesso TDMA (Time Division  Multiple Access) usata nello standard GSM, in quanto esso permette  uno  sfruttamento  maggiore  del  canale  trasmissivo;  per  questo  viene  spesso  classificato come appartenente alla 2.5G. 

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