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

Studio Progettazione e Realizzazione di Amplificatori di Potenza per Applicazioni Wireless 
 
 2 
 
La  terza  generazione  dei  sistemi  wireless  (3G),  per  esempio  con lo 
standard  UMTS  (Universal  Mobile  Telecommunication  System),  già  fornisce 
un’infinità di servizi anche molto differenti tra loro, come la possibilità di 
connettersi  a  internet  o  quella  di  effettuare  una  videochiamata ovunque ci si 
trovi. Questo si tramuta nella necessità di avere apparati elettronici  capaci  di 
gestire  trasmissioni  con  elevato  bit‐rate  e  in  quella  di  avere  una  banda 
trasmissiva di canale sempre maggiore [1].  
Generazione  Sistema  Anno  Descrizione 
0G  MTS  1946 
Mobile Telephone Service, half duplex, operator assist to 
establish call, push‐to‐talk 
0G  AMTS  1965 
Advanced Mobile Telephone System, Japan, full‐duplex, 900 
MHz 
0G  IMTS  1969 
Improved Mobile  Telephone  Service,  full  duplex,  up  to  13 
channels, 60–100 km 
0.5G  PALM  1971 
Public  Automated  Land  Mobile  radiotelephone  service, 
technology link between IMTS & AMPS. 
0.5G  ARP  1971
Auto Radio Puhelin (Car Radio Phone), obsoleted in 2000 
1G  NMT  1981 
Nordic Mobile Telephone, 12.5 kHz channel, 450 MHz, 900 
MHz 
1G  AMPS  1983 Advanced Mobile Phone System, 30 kHz channel 
1G  TACS  1985 
Total  Access  Communication  Systems,  25  kHz  channel, 
widely used up to 1990s, similar to AMPS 
1G  Hicap  1988
NTT’s mobile radiotelephone service in Japan 
1G  Mobiltex  1990 
National  public  access  wireless  data  network,  first  public 
access wireless data communication services 
1G  DataTac  1990 
Point‐to‐point wireless data communications standard (like 
Mobitex), used by the original BlackBerry device 
2G  PHS  1990 
Personal Handyphone System functions as both a cordless 
phone and as a mobile phone 
2G  GSM  1991 
Global System for Mobile Communications, TDMA, GMSK, 
constant envelope, 2 billion customers in 210 countries 
2G  DAMPS  1991 Digital AMPS, narrowband, pi/4DQPSK, 30 kHz channel 
2G  PDC  1992
Personal Digital Cellular, Japan, 25 kHz channel 
2G  cdmaOne  1995 
Brand name of  first  CDMA  system known as  IS‐95.  spread 
spectrum, CDMA, 1.25 MHz channel, QPSK 
2G  CSD  1997 
Circuit  Switched  Data,  original  data  transmission  format 
developed for GSM, max. bandwidth 9.6 kb/s 
2.5G  WiDEN  1996 
Wideband  Integrated  Dispatch  Enhanced  Network, 
combines four 25 kHz channels 
2.5G  GPRS  2000 
General  Packet  Radio  System,  compatible  with  GSM 
network 
2.5G  HSCSD  2000 
High‐Speed  Circuit‐Switched  Data,  compatible  with  GSM 
network, higher quality of service than GPRS 
2.75G  CDMA2000  2000 upgraded cdmaOne, double data rate, 1.25 MHz channel 
2.75G  EDGE  2003 
Enhanced Data rate for GSM Evolution, compatible with 
GSM network, 8PSK, TDMA 
3G  FOMA  2001 
Freedom  of  Mobile  Multimedia  Access,  first  3G  service, 
NTT’s implementation of WCDMA 
3G  UMTS  2001 
Universal Mobile Telephone Service, 5 MHz channel, data up 
to 2 Mb/s 
3.5G  HSDPA  2006 
High‐speed downlink packet access, high download speeds 
up to 14.4 Mb/s, incorporated in UMTS 
3.75G  HSUPA  2007 
High‐speed uplink packet access, high upload speeds up to 
5.76 Mb/s, incorporated in UMTS 
4G     
Low latency (e.g., for VoIP) + MIMO + OFDM + wireless 
broadband (WBB, > 100 Mb/s) + software defined radio 
Tabella 1.1: Evoluzione dei sistemi di comunicazione mobile nel corso degli anni. 
Studio Progettazione e Realizzazione di Amplificatori di Potenza per Applicazioni Wireless 
 
 3 
 
Come  accennato  in  precedenza,  oggi  si  comincia  a  parlare  di  quarta 
generazione (4G) di sistemi wireless e di quelle che saranno  le innovazioni che 
con  essi  si  intende  introdurre.  In  quest’ambito,  si  mira  ad  ottenere  sia 
trasmissioni  ultra  veloci  con  un  bit‐rate  di  100  Mb/s  per  gli  apparati  mobili 
(mobile  handset)  e  di  1Gb/s  per  gli  apparati  fissi  (base  station),  sia  la 
funzionalità di interoperabilità simultanea degli apparati nei diversi standard di 
comunicazione  (GSM,  UMTS,  WiFi  ecc.)  [1,2].  E'  evidente  però,  come  ogni 
protocollo  presenti  problematiche  diverse,  sia  in  termini  di  occupazione 
spettrale (banda), che di tecniche di modulazione e relative tipologie del segnale 
utilizzato,  con  conseguenti  difficoltà  dal  punto  di  vista  implementativo 
dell’apparato hardware, specialmente per le parti di front‐end a radiofrequenza. 
Per  rendersi  conto di questo,  si può  far  riferimento alla Tabella 1.2, dove  sono 
riportate le specifiche richieste e i tipi di segnali usati negli standard al momento 
più  usati.  Confrontando  per  esempio  le  caratteristiche  dello  standard  1G  con 
quelle  del  sistema UMTS  è  facile  rendersi  conto  delle  enormi  differenze  che  li 
contraddistinguono. Gli apparati della 1G lavorano con modulazioni FM e quindi 
ad inviluppo costante, mentre quelli UMTS sfruttano segnali modulati  in HPSK 
(Hybrid  Phase  Shift  Keying)  caratterizzati da un inviluppo variabile;  i  primi 
necessitano di una larghezza di banda di 30 kHz, i secondi una banda cento volte 
maggiore. Di conseguenza, gli apparati elettronici dei sistemi UMTS devono avere 
caratteristiche profondamente differenti da quelle possedute dai terminali di 1G. 
Sistema 
Banda 
(MHz) 
Mod. 
PAPR 
(dB) 
PMPR 
(dB) 
Potenza 
Antenna 
(dBm) 
Linearità 
(dB) 
AMPS  0.03  FM  0 0 28 ‐26
(1)
 
GSM  0.2  GMSK 0 0 33 ‐60
(2)
 
GPRS  0.2  GMSK 0 0 33 ‐60
(2)
 
EDGE  0.2  3π/8‐8PSK 3.2 17 27 ‐54
(2)
 
UMTS  3.84  HPSK 3.5‐7 Infinito 24 ‐33
(1)
 
Cdma2000  1.23  HPSK 4‐9 infinito 24 ‐42
(3)
 
       PMPR: peak to minimum power ratio  
(1)
 Potenza nel canale adiacente 
(2)
 Maschera del segnale trasmesso a 400kHz di offset 
(3)
 Potenza nel canale adiacente (BW=30kHz) 
Tabella 1.2: Segnali usati nei sistemi wireless e specifiche richieste. 
Attualmente  sono  due  le  soluzioni  tecnologiche  assunte  come  base  di 
partenza per lo sviluppo delle future reti wireless di quarta generazione:  la 
tecnica di modulazione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e le 
Studio Progettazione e Realizzazione di Amplificatori di Potenza per Applicazioni Wireless 
 
 4 
 
architetture MIMO (Multiple Input, Multiple Output). L’unione di questi concetti 
sembra in grado di rispondere efficacemente alle esigenze delle reti 4G grazie al 
notevole incremento delle prestazioni trasmissive che garantiscono.  
La  tecnica  OFDM  permette  di  soddisfare  il  requisito  di  elevatissimi  bit‐
rate grazie allo uso di tante sottoportanti, ortogonali tra di loro,  ognuna  delle 
quali è modulata indipendentemente dalle altre. Tale approccio aumenta inoltre 
il  rapporto  SIR  (Signal‐to‐Interference)  del  canale  migliorando  la  qualità  del 
segnale  trasmesso,  grazie  alla  riduzione  dell’impatto  della  propagazione multi‐
percorso (Figura 1.1). Infatti, essendo un segnale OFDM composto  da  diverse 
sottoportanti il cui bit‐rate e quindi la banda occupata è relativamente basso [1], 
risulta più robusto alle interferenze rispetto a quanto accadrebbe ad un segnale 
con lo stesso bit‐rate, ma con unica portante.  
 
Figura 1.1: Tecnica OFDM: a) propagazione multi‐percorso; b) segnale OFDM in frequenza; c) 
segnale OFDM nel tempo. 
Tuttavia, se da una parte la caratteristica di ortogonalità delle 
sottoportanti  garantisce  il  raggiungimento  di  un  elevato  bit‐rate e una bassa 
interferenza  intersimbolica,  dall’altra  da  origine,  sul  segnale  nel  dominio  del 
tempo, ad elevati valori di PAPR (Peak‐to‐Average Power Ratio). Questo significa 
che gli apparati di front‐end a RF devono gestire e quindi amplificare segnali ad 
inviluppo non costante con valori di PAPR anche superiori ai 20dB (Tabella 1.2). 
Studio Progettazione e Realizzazione di Amplificatori di Potenza per Applicazioni Wireless 
 
 5 
 
In questo contesto, l'elemento critico dal punto di vista progettuale per la 
realizzazione di tali trasmettitori risulta essere lo stadio finale di potenza (PA) in 
quanto da esso dipendono fortemente le prestazioni dell’intero front‐end [3].  
Sono due, in particolare, le sfide che si presentano al progettista  di  PA: 
garantire  che  il  segnale amplificato non venga eccessivamente distorto,  cosi da 
evitare l’uso di schemi di linearizzazione, e contemporaneamente assicurare una 
buona  efficienza  di  conversione  lungo  tutta  la  dinamica  del  segnale  d’ingresso 
(Input Back‐off), cosi da aumentare l’autonomia degli apparati mobili e ridurre i 
consumi e quindi i costi delle stazioni fisse.  
A tali problematiche, sempre presenti, si aggiunge oggi l'ulteriore 
richiesta di poter integrare su un singolo modulo trasmettitore i diversi standard 
di  comunicazione,  quindi  la  necessità  di  architetture  MIMO  (Figura  1.2),  che 
ovviamente presuppongono l'utilizzo di frequenze (bande), tipologie di segnale e 
livelli di potenza spesso molto diversi tra loro (Tabella 1.2).  
 
Figura 1.2: Esempio di architettura MIMO. 
Sulla base di quanto detto fino ad ora, appare chiaro che i trasmettitori e 
quindi gli amplificatori di potenza necessari per la realizzazione dei sistemi di 4G 
devono rispondere a stringenti requisiti di linearità ed efficienza di conversione, 
lavorando anche simultaneamente con segnali modulati secondo schemi diversi 
e quindi con segnali nel dominio del tempo che possono essere sia ad inviluppo 
costante sia variabile e a differenti frequenze [1‐3].  
Sarà quindi necessario un forte e costante interesse da parte della 
comunità  scientifica  internazionale,  per  ricercare  ed  introdurre  quelle 
innovazioni tecnologiche che permettano lo sviluppo di apparati front‐end a RF 
capaci di rispondere, sempre più efficacemente, a questi requisiti.  
Studio Progettazione e Realizzazione di Amplificatori di Potenza per Applicazioni Wireless 
 
 6 
 
1.2 Scopo del lavoro di ricerca 
Questo lavoro di ricerca copre diversi aspetti riguardanti gli amplificatori 
di  potenza  a  RF  per  applicazioni  di  comunicazione  wireless,  nell’ambito  dello 
scenario  precedentemente  descritto.  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 queli 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. 
1.3 Descrizione dei capitoli 
Questo lavoro di tesi è strutturato in sei capitoli, compreso questo. 
Studio Progettazione e Realizzazione di Amplificatori di Potenza per Applicazioni Wireless 
 
 7 
 
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. 
 
Studio Progettazione e Realizzazione di Amplificatori di Potenza per Applicazioni Wireless 
 
 8 
 
BIBLIOGRAFIA 
[1]  M. Steer, “Beyond 3G,”  IEEE Microwave Magazine Vol. 8  Is. 1 2007 pp. 76‐82 
DOI 10.1109/MMW.2007.316254. 
[2]  E.  McCune  “High‐Efficiency,  Multi‐Mode,  Multi‐Band  Terminal  Power 
Amplifiers”  IEEE  Microwave  Magazine  Vol.  6  Is.  1  2005  pp.  44‐55  DOI 
10.1109/MMW.2005.1417997 
[3]  L.  Larson,  D.  Kimball,  P.  Asbeck,  “Linearity  and  efficiency  enhancement 
strategies for 4G wireless power amplifier designs” Custom Integrated Circuits 
Conference,  2008.  CICC  2008.  IEEE  21‐24  Sept.  2008  Page(s):741  –  748  DOI 
10.1109/CICC.2008.4672194