On the design of high-efficiency RF Doherty power amplifiers

Abstract

Power amplifiers (PAs) are one of the most crucial elements in wireless standards becasue they are the most power hungry subsystems. These elements have to face an important issue, which is the power efficiency, a fact related with the output back-off (OBO). But the OBO depends on the kind of modulated signal, in proportion to the modulated signal peak-to-average power ratio (PAPR). The higuer is the data rate, the higer is the OBO, and consequently the lower is the efficiency. A low efficiency of PAs causes the waste of energy as heat. Furthermore, the trade-off between linearity and efficiency in PAs is another major issue. To cope with the undesired circumstances producing efficiency degradation, the Doherty power amplifier (DPA) is one of the useful techniques which provide high efficiency for high PAPR of modern communication signals. Nevertheless, the limited bandwidth (BW) of this kind of PAs (about 10% of fractional bandwidth) and its importance (in modern wireless systems such as LTE, WiMAX, Wi-Fi and satellite systems) have encouraged the researchers to improve this drawback in recent years. Some typical BW limiting factors effect on the performance of DPAs: i) quarter-wave length transformers, ii) phase compensation networks in/output matching circuits, iii) offset lines and device non-idealities; The quarter-wave length transformers performs as an inverter impedance in the load modulation technique of DPAs. The future objective in designing DPAs is to decrease the impact of these issues. In this context, this PhD-thesis is focused on improving fractional bandwidth of DPAs using the new methods that are related to impedance transformers instead of impedance inverters in the load modulation technique. This study is twofold. First, it is presented a novel DPA where a wideband GaN DPA in the 2.5 GHz band with an asymmetrical Wilkinson splitter. The impedance transformer of the proposed architecture is based on a matching network including a tapered line with multi-section transformer in the main stage. The BW of this DPA has ranged from 1.8 to 2.7 GHz. Plus, the obtained power efficiency (drain) is higher than 33% in the whole BW at both maximum and OBO power levels. Second, based on the benefits of the Klopfenstein taper, a promising DPA design is proposed where a Klopfenstein taper replaces the tapered line. In fact, this substitution results on reducing the reflection coefficient of the transformer. From a practical prototype realization of this novel Doherty-like PA in the 2.25 GHz band, this modification has demonstrated that the resulting DPA BW is increased in comparison to the conventional topology while keeping the efficiency figures. Moreover, this study also shows that the Klopfenstein taper based design allows an easy tuning of the group delay through the output reactance of the taper, resulting in a more straightforward adjustments than other recently published designs where the quarter-wave transformer is replaced by multi-section transmission lines (hybrid or similar). Experimental results have shown 43-54% of drain efficiency at 42 dBm output power, in the range of 1.7 to 2.75 GHz. Concretely, the results presented in this novel Doherty-like PA implies an specific load modulation technique that uses the mixed Klopfenstein tapered line together with a multi-section transformer in order to obtain high bandwidth with the usual efficiency in DPAs.

Los amplificadores de potencia (PAs) son uno de los elementos más importantes para los transmisores inalámbricos desde el punto de vista del consumo energético. Un aspecto muy importante es su eficiencia energética, un concepto relacionado con el back-off de salida (OBO), que a su vez viene condicionadpo por el PAPR de la señal modulada a amplificar. Una baja eficiencia de los PA hace que la pérdida de energía se manifieste en forma de calor. De hecho, esta cuestión conduce al incremento de los costes y tamaño, esto último por los radiadores. Además, el compromiso entre la linealidad y la eficiencia en los PA es otro problema importante. Para hacer frente a las circunstancias que producen la degradación de la eficiencia, el amplificador de potencia tipo Doherty (DPA) es una de las técnicas más útiles que proporcionan una buena eficiencia incluso para los altos PAPR comunes en señales de comunicación modernos. Sin embargo, el limitado ancho de banda (BW) de este tipo de PA (alrededor del 10% del ancho de banda fraccional) y su importancia (en los sistemas inalámbricos modernos, tales como LTE, WiMAX, Wi-Fi y sistemas de satélites) han animado a los investigadores para mejorar este inconveniente en los últimos años. Algunos aspectos típicos que limitan el BW en los DPA son: i) transformadores de longitud de cuarto de onda, ii) redes de compensación de fase y circuitos de adaptación de salida, iii) compensación de las líneas y los dispositivos no ideales. Los transformadores de cuarto de onda actuan como un inversor de impedancia en la técnica de modulación de carga de la DPA "("load modulation"). Concretamente, el objetivo futuro de diseño de DPA es disminuir el impacto de estos problemas. En este contexto, esta tesis doctoral se centra en mejorar el ancho de banda fraccional de DPA utilizando los nuevos métodos que están relacionados con el uso de transformadores de impedancias en vez de inversores en el subcircuito de modulación de carga. Este estudio tiene dos niveles. En primer lugar, se presenta una novedosa estructura del DPA de banda ancha usándose dispositivos de GaN en la banda de 2,5 GHz con un divisor Wilkinson asimétrico. El transformador de impedancias de la arquitectura propuesta se basa en una red de adaptación, incluyendo una línea cónica con múltiples secciones del transformador en la etapa principal. El BW de este DPA ha sido de 1,8 a 2,7 GHz. Además, se obtiene una eficiencia de drenador de más del 33% en todo el BW, tanto a nivel de potencia máxima como a nivel del OBO. En segundo lugar, aprovechando los beneficios de un adaptador de Klopfenstein, se propone un nuevo diseño del DPA. Con la sustitución de la lina conica por el Klopfenstein se reduce el coeficiente de reflexión de transformador de impedancias. Sobre un prototipo práctico de esta nueva estructura del Doherty, en la banda de 2,25 GHz, se ha demostrado que el BW resultante se incrementa en comparación con la topología convencional mientras se mantienen las cifras de eficiencia. Por otra parte, en este estudio se demuestra que el diseño basado en el Klopfenstein permite una afinación fácil del retardo de grupo a través de la reactancia de salida del taper, lo que resulta en un ajuste más sencillo que otros diseños publicados recientemente en el que el transformador de cuarto de onda se sustituye por multi-líneas de transmisión de la sección (híbridos o similar). Los resultados experimentales han mostrado un 43-54% de eficiencia de drenador sobre 42 dBm de potencia de salida, en el intervalo de 1,7 a 2,75 GHz. Concretamente, los resultados presentados en esta nueva estructura tipo-Doherty implican una técnica de modulación de carga que utiliza una combinación de un Klopfenstein junto con un transformador de múltiples secciones con el fin de obtener un alto ancho de banda con la eficiencia habitual en DPAs.

Els amplificadors de potència (PA) són un dels elements més importants per els sistemes ràdio ja que sone ls principals consumidors d'energía. Un aspecte molt important és l'eficiència de l'amplificador, aspecte relacionat amb el back-off de sortida (OBO) que a la seva vegada ve condicionat pel PAPR del senyal modulat. Una baixa eficiència dels PA fa que la pèrdua d'energia en manifesti en forma de calor. De fet, aquesta qüestió porta a l'increment dels costos i grandària, degut als dissipadors de calor. A més, el compromís entre la linealitat i l'eficiència en els PA es un altre problema important. Per fer front a les circumstàncies que porten a la degradació de l'eficiència, l'amplificador de potència Doherty (DPA) és una de les tècniques més útils i que proporcionen una bona eficiència per als alts PAPR comuns en senyals de comunicació moderns. No obstant això, l'ample de banda limitat (BW) d'aquest tipus de PA (al voltant del 10% de l'ample de banda fraccional) i la seva importància (en els sistemes moderns, com ara LTE, WiMAX, Wi-Fi i sistemes de satèl·lits) han animat els investigadors per millorar aquest inconvenient en els últims anys. Alguns aspectes tipicament limitadors del BW en els DPA son: i) transformadors de longitud d'quart d'ona, ii) xarxes de compensació de fase en circuits / adaptacions de sortida, iii) compensació de les línies i els dispositius no ideals. Els transformadors de quart d'ona s'utilitzen com a inversors d'impedàncies en la tècnica de modulació de càrrega del DPA ("load modulation"). Concretament, l'objectiu futur de disseny d'DPA és disminuir l'impacte d'aquests problemes. En aquest context, aquesta tesi doctoral es centra en millorar l'ample de banda fraccional dels DPA utilitzant nous mètodes que estan relacionats amb l'ús de transformadors d'impedàncies, en comptes d'inversors, en el subcircuit de modulació de càrrega. Aquest treball té dos nivells. En primer lloc, es presenta un DPA novedós que fa servir dispositus GaN DPA a la banda de 2,5 GHz amb un divisor Wilkinson asimètric. El transformador d'impedàncies de l'arquitectura proposada es basa en una xarxa d'adaptació, incloent una línia cònica amb múltiples seccions del transformador en l'etapa principal. El BW d'aquest DPA ha mostrat ser d'1,8 a a 2,7 GHz. A més, s'obté una eficiència de drenador de més del 33% en tot el BW, tant a nivell de potència màxima com de OBO. En segon lloc, sobre la base dels beneficis del adaptador de Klopfenstein, un proposa un nou disseny on un Klopfenstein substitueix la anterior línia cònica. Aquesta substitució repercuteix en la reducció del coeficient de reflexió de transformador d'impedàncies.Des d'una realització pràctica (prototipus) d'aquest nou amplificador tipus Doherty a la banda de 2,25 GHz, s'ha demostrat que el BW resultant s'incrementa en comparació amb la topologia convencional mentre es mantenen les xifres d'eficiència. D'altra banda, en aquest estudi es demostra que el disseny basat en el Klopfenstein permet una afinació fàcil del retard de grup a través de la reactància de sortida de la forma cònica, el que resulta en un ajust més senzill que altres dissenys publicats recentment en què el transformador de quart d'ona es substitueix per multi-línies de transmissió de la secció (híbrids o similar). Els resultats experimentals han mostrat un 43-54% d'eficiència de drenador en 42 dBm de potència de sortida, en l'interval de 1,7-2,75 GHz. Concretament, els resultats presentats en aquest nou amplificador tipus Doherty impliquen una tècnica de modulació de càrrega específic que utilitza una combinació del Klopfenstein juntament amb un transformador de múltiples seccions per tal d'obtenir un alt ample de banda amb la usual eficiència en DPAs.