Analytical model and design of load modulated balanced amplifier

Abstract

Yüksek verimli ve doğrusallıklı RF güç yükselteçleri modern haberleşme sistemleri için önemli bir ihtiyaç haline gelmiştir. Maksimum güç - ortalama güç oranı yüksek olan modüle sinyaller güç yükselteçinin bu özelliklerini çıkış-gerisi denilen geniş bir aralıkta korumasını gerekli kılmıştır. Ancak, yüksek doğrusallığın düşüş verimlilik getirmesi, hem yüksek verimlilikli hem de yüksek doğrusalıklı güç yükselteçini RF tasarımcıları için oldukça zorlayıcı bir süreç haline getirmiştir. Yük modülasyonu düşük güç bölgelerinde iyi verimlilik-doğrusallık ödünleşmesi sunan başarılı tekniklerden biridir. Bu çalışmada yakın bir zamanda sunulmuş RF güç transistorlerinin doğrusal-olmayan basit bir modeli kullanılarak yük modülasyonlu dengeli yükselteçler için analitik bir model sunulmuştur. Az sayıda değişkene sahip olan bu transistor modeliyle yük modülasyonlu güç yekselteçinin verimliliğini ve doğrusallığını tahmin edebileceğimizi gösterdik. Analitik modelin performansını test etmek için ayrık transistorler ve 3-dB bağlaçlar kullanarak yük modülasyonlu güç yekselteçi tasarladık. 5-W GaAs PHEMT'in model değişkenlerine I-V eğrileri ve load-pull ölçümleriyle karar verdik. 1.7~GHz bandında maksimum 37.5~dBm çıkış gücünde maksimum /%53 verimliliğe sahip olan bir yük modülasyonlu güç yekselteçi elde ettik. 6~dB çıkış gücü gerisinde verimlilik /%47 olarak ölçüldü.

RF power amplifiers (PA) with high efficiency and linearity are in high demand for modern communication systems. Modulated signals having a high peak-to-average power ratio (PAPR) require PA's to maintain these features in the output-back-off (OBO) region. Since higher linearity always brings the trade-off in the form of lower efficiency, a PA having both high efficiency and linearity is challenging requirement for RF designers.Load modulation is one of the promising techniques offering good efficiency-linearity trade-off under OBO conditions for conventional PAs. This work presents an analytical model for the load modulated balanced amplifier (LMBA) using the recently introduced analytical non-linear model of a RF power transistor. We show that it is possible to predict the efficiency and nonlinearity of the LMBA reasonably well using this simple transistor model having only a small number of parameters. To test the performance of the analytical model, we designed an LMBA using three identical discrete RF transistors and 3-dB hybrid couplers. The model parameters of the 5-W GaAs PHEMT are determined from the I-V characteristics and load-pull measurements. LMBA works at 1.7~GHz with a peak output power of 37.5~dBm and with a peak efficiency of 53/%. The efficiency is measured to be 47/% at 6~dB output-back-off.