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

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.