AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE RADIOFRECUENCIA DE ALTO RENDIMIENTO Y BANDA ANCHA.
Amplificador de potencia de radiofrecuencia de alto rendimiento y banda ancha,
que comprende:
- un elemento conmutador (1);
- medios de transformación de admitancia (2) conectados en paralelo al elemento conmutador (1), configurados para aumentar la admitancia de carga presentada al elemento conmutador (1) vista desde una red de terminación de admitancia (3);
- la red de terminación de admitancia (3), encargada de proporcionar la terminación de carga requerida a 2f0 y 3f0 para funcionamiento en condiciones de Clase-E nominal y modificar, junto a las capacidades COUT y C1 además de la inductancia LEQ, la fase de la admitancia presentada por una carga de terminación (R3) conectada a dicha red (3) vista desde el elemento conmutador (1), hasta un ángulo de fase requerido por dicho elemento conmutador (1) a frecuencia fundamental para funcionamiento en Clase-E nominal.
Utilizable en comunicaciones, calentamiento industrial, fabricación de semiconductores, aplicaciones nucleares, tecnología láser y diagnóstico por imagen en medicina.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201030447.
Solicitante: UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: ORTEGA GONZALEZ,Francisco Javier.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H03F1/02 ELECTRICIDAD. › H03 CIRCUITOS ELECTRONICOS BASICOS. › H03F AMPLIFICADORES (medidas, ensayos G01R; amplificadores ópticos paramétricos G02F; circuitos con tubos de emisión secundaria H01J 43/30; másers, lásers H01S; amplificadores dinamoeléctricos H02K; control de la amplificación H03G; dispositivos para el acoplamiento independientes de la naturaleza del amplificador, divisores de tensión H03H; amplificadores destinados únicamente al tratamiento de impulsos H03K; circuitos repetidores en las líneas de transmisión H04B 3/36, H04B 3/58; aplicaciones de amplificadores de voz a las comunicaciones telefónicas H04M 1/60, H04M 3/40). › H03F 1/00 Detalles de amplificadores que tienen como elementos de amplificación solamente tubos de descarga, solamente dispositivos semiconductores o solamente componentes no especificados. › Modificaciones de los amplificadores para aumentar su rendimiento, p. ej. etapas clase A de pendiente deslizante, utilización de una oscilación auxiliar.
- H03F1/56 H03F 1/00 […] › Modificaciones de las impedancias de entrada o de salida, no previstas en otro lugar.
- H03F3/19 H03F […] › H03F 3/00 Amplificadores que tienen como elementos de amplificación solamente tubos de descarga o solamente dispositivos de semiconductores. › únicamente con dispositivos de semiconductores.
Fragmento de la descripción:
AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE RADIOFRECUENCIA DE ALTO RENDIMIENTO
Y BANDA ANCHA
Campo de la Invención
La invención se encuadra en el sector técnico de la electrónica de comunicaciones, más en concreto en el de amplificadores de potencia de radiofrecuencia.Los amplificadores de potencia de radiofrecuencia son utilizados en diversas áreas industriales tales como: comunicaciones, calentamiento industrial, fabricación de semiconductores, aplicaciones nucleares, tecnología láser y diagnóstico por imagen en medicina.
Antecedentes de la Invención
La industria electrónica ha perseguido constantemente mejorar el rendimiento y el ancho de banda de los amplificadores de potencia de alta frecuencia. Ello es debido a que la mejora de su rendimiento se traduce en una disminución de la energía consumida por los equipos que los integran, de su complejidad, de su peso y del calor a disipar por los mismos.
A lo largo de los años se han propuesto nuevos circuitos amplificadores capaces, en teoría, de proporcionar un rendimiento energético del 100%, no obstante, en la práctica, es habitual encontrar en el mercado nuevos diseños de amplificadores que proporcionan rendimientos máximos de tan sólo el 15%.
El valor del rendimiento máximo de un amplificador de radiofrecuencia en la práctica depende de varios factores, entre los que cabe destacar la frecuencia de trabajo del amplificador, su ancho de banda fracciona!, su máxima potencia de salida y su linealidad, de forma tal que cuanto mayor es la frecuencia de trabajo, mayor es la potencia de salida, mayor es el ancho de banda y mejor es la linealidad, peor es el rendimiento.
Así, los mejores diseños de amplificadores de potencia de radiofrecuencia (no lineales) actuales proporcionan rendimientos máximos alrededor del 80% a frecuencias inferiores a 20 M Hz y con anchos de banda fraccionales inferiores al 10% y potencias de hasta 1Kw. Estas cifras decrecen muy notablemente conforme la frecuencia, potencia, ancho de banda o linealidad del amplificador aumentan de forma tal que es muy difícil encontrar amplificadores para la Banda X, de 8 a 12 GHz, con rendimientos superiores al 30%, que entreguen potencias máximas superiores a 20W en anchos de banda fraccionales mayores que el 25%.
Las causas de que los amplificadores de radiofrecuencia de potencia prácticos no sean capaces de conseguir los rendimientos máximos previstos teóricamente hay que buscarlas, además de en las pérdidas y limitaciones de los transistores, en la dificultad para sintetizar las cargas requeridas por los transistores y las pérdidas de energía en las redes de carga. Ello es debido, fundamentalmente, a consideraciones de tipo práctico, dentro de las que caben destacar las siguientes:
a) Las altas admitancias de carga requeridas por los transistores de potencia de alta frecuencia, que son difíciles de sintetizar a frecuencia fundamental y armónicos.
b) Las altas corrientes asociadas a admitancias de carga altas, que realzan los efectos parásitos de los componentes y materiales con los que se construyen las redes de carga de los amplificadores de potencia de radiofrecuencia. Estos parásitos en muchos casos imposibilitan la síntesis correcta de la admitancia de carga necesaria por los amplificadores, especialmente a frecuencias armónicas y son la causa de importantes pérdidas de energía.
Sería por lo tanto deseable diseñar un amplificador que minimizara el impacto de dichos parásitos, e incluso, si fuese posible, los utilizase en beneficio propio para poder sintetizar con fidelidad las condiciones de carga requeridas por una clase de amplificación de alto rendimiento a frecuencia fundamental y armónicos, en condiciones de banda ancha y con bajas pérdidas. En tal caso sería posible acercarse a los rendimientos energéticos y anchos de banda previstos teóricamente para los amplificadores de potencia de radiofrecuencia de alto rendimiento en general y especialmente las clases de funcionamiento llamadas de alto rendimiento, que requieren perfiles de carga más exigentes que el resto.
La presente invención consiste en un amplificador de potencia de radiofrecuencia que es capaz de proporcionar alto rendimiento energético y banda ancha de forma simultanea. Está basado en el empleo una red de carga de bajas perdidas que implementa las funciones de transformación de admitancia, giro de fase y terminación de carga a los armónicos para proporcionar las condiciones de funcionamiento requeridas por la clase de amplificación conocida como Clase-E en condiciones nominales, o próximas a las nominales, aprovechando en su propio beneficio también los parásitos de los componentes del circuito, activos y pasivos.
Referencias
[1] N. O. Sokal, R. Redl, "Power Transistor Output Port Model", RF Design, Vol. 1 O, No. 6, pp. 45-48, 50, 51, 53, June 1987.
[2] N. O. Sokal, A. D. Sokal, "Ciass-E, a new class of high efficiency tuned single-ended switching power amplifier, "IEEE Journal on Sol id State Circuits, vol. SC-1 O, No. 3, pp. 168-176, June 1975.
[3] N. O. Sokal and A. D. Sokal, "High-Efficiency Tuned Switching Power Amplifier."
U.S. Patent 3, 919, 656, November 1975.
[4] Ortega-Gonzalez, F.J, "Load-Pull Wideband Class-E Amplifier", Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 17, No. 3, pp. 235-237, March 2007.
Descripción de la invención La invención se refiere a un amplificador de potencia de radiofrecuencia de alto rendimiento y banda ancha de acuerdo con la reivindicación 1. Realizaciones preferidas
del amplificador se definen en las reivindicaciones dependientes.
El amplificador de potencia comprende:
- un elemento conmutador, preferiblemente un transistor de potencia;
- medios de transformación de admitancia conectados en paralelo al elemento conmutador, estando configurados dichos medios para aumentar la admitancia de carga presentada al elemento conmutador vista desde una red de terminación de admitancia;
- la red de terminación de admitancia, conectada a los medios de transformación de admitancia y encargada de proporcionar la terminación de carga requerida a 2fo y 3fo para funcionamiento en condiciones de Clase-E nominal y modificar, junto a las capacidades Cour y C1 además de la inductancia LEo, la fase de la admitancia presentada por una carga de terminación conectada a dicha red vista desde el elemento conmutador, hasta un ángulo de fase requerido por dicho elemento conmutador a frecuencia fundamental para funcionamiento en Clase-E nominal.
En una realización preferida los medios de transformación de admitancia comprenden un transformador, preferiblemente sin núcleo magnético, el cual puede ser por ejemplo un transformador de acoplamiento magnético o un transformador de línea de transmisión. El transformador está preferentemente conectado a tierra en uno de sus extremos de su primario mediante una batería de condensadores de desacoplo.
En una realización preferida la red de terminación de admitancia comprende una pluralidad de bobinas, preferentemente sin núcleo magnético, y una pluralidad de condensadores, preferiblemente condensadores multicapa de dieléctrico de porcelana.
La red de terminación de admitancia está preferiblemente configurada para proporcionar una fase de la admitancia de carga a la frecuencia fundamental de -36°. El amplificador de potencia puede comprender adicionalmente un condensador conectado en paralelo con el elemento conmutador.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La figura 1 ilustra un diagrama de bloques del amplificador de potencia de radiofrecuencia de acuerdo a la presente invención. La figura 2 ilustra una realización preferida de la presente invención.
Descripción detallada de la Invención La presente invención se refiere a un nuevo amplificador de potencia de radiofrecuencia...
Reivindicaciones:
1 . Amplificador de potencia de radiofrecuencia de alto Fréndimiento y banda
ancha, caracterizado por que comprende:
-- un elemento conmutador (1 ) ;
- medios de transformación de admitancia (2) conectados en paralelo al
elemento conmutador (1) , estando configurados dichos medios (2) para aumentar la
admitancia de carga presentada al elemento conmutador (1) vista desde una red de ·terminación de admitancia (3) ;
- la red de terminación de admitancia (3) , . conectada a los medios de
transformación de admitancia (2) y encargada de proporcionar lá terminación de carga
requerida a 2fo y 3fo para funcionamiento en condiciones de Clase-E nominal y
modificar, junto a las capacidades CouT y C1 además de la inductancia LEa, fa fase de
la admitancia presentada por una carga de terminación (R3) conectada a dicha red (3) .
vista desde el elemento conmutador - (1 ) ; hasta un ángulo de fase requerido por dicho
'
elemento conmutador (1) a frecuenciá fundamental para funcionamiento en Clase-E
nominal.
2. Amplificador de potencia según la reivindicación 1, caracterizado por que el elemento conmutador ( 1) es un transistor de potencia.
3. Amplificador de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios de transformación de admitancia (2) comprenden un transformador (T) .
4. Amplificador de potencia según la reivindicación 3, caracterizado por que el
. . transformador (T) es un transformador de acoplamiento magnético.
5. Amplificador de potencia según la reivindicación 3, caracterizado por que el transformador (T) es un transformador de línea de transmisión.
' .
6. Amplificador de potencia de radiofrecuencia de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado por que dicho transformador (T) no tiene núcleo magnético.
7_. Amplificador de potenda de radiofrecuencia de· acuerdo a cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 6, caracterizado por que dicho transformador. (T) está conectado a
tierra en uno de sus extremos de su primario mediante una batería de condensadores · de desacoplo (Ce) .
8. Amplificador de potencia según cualquiera de las. reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la red d~ terminación de admitancia (3) comprende una
. ' pluralidad de-bobinas (L2, L3) y una pluralidad de condensadores (C2, C3) .
' , .
9. Amplificador de potencia de acuerdo a la reivindicación 8, caracterizado por
. '
que los condensadores (C2, C3) de la red de terminación de admitancia (3) son condensadores multicapa de dieléctrico de porcelana.
10.: Amplificador de potencia de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 8 a. 9, caracterizado por que las bobinas (L2, L3) de la red de terminación de admitancia (3) son b9binas sin núcleo magnético.
11. Amplificador de potencia según cualquiera de las reiVindicaciones
- '
anteriores, caracterizado por que la red de terminación de admitancia (3) junto a los elementos CoL[T, C1 y LEo. está configurada para proporcionar una fase de la admitancia de carga a la frecuencia fundamental de -36°.
12. Amplificador de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende-adicionalmente un condensador (C1) conectado en paralelo con el elemento conmutador (1 ) .
Patentes similares o relacionadas:
Amplificador de cuasi banda ancha según el principio de Doherty, del 17 de Junio de 2020, de ROHDE & SCHWARZ GMBH & CO. KG: Amplificador con un primer circuito amplificador , un segundo circuito amplificador , un circuito de acoplador híbrido y una terminación (4, […]
Alimentación de tensión variable de alta eficacia, del 3 de Junio de 2020, de SNAPTRACK INC.: Una fase de fuente de alimentación , que comprende: una alimentación de tensión variable de alta eficacia para generar una tensión […]
Sistema de amplificación de señales de telecomunicación, del 6 de Mayo de 2020, de TELEVES, S.A.: Sistema de amplificación de señales de telecomunicación (SA), en particular para la amplificación de señales de radio, televisión y/o datos, que comprende […]
Circuito amplificador y método, del 25 de Marzo de 2020, de TELEFONAKTIEBOLAGET LM ERICSSON (PUBL): Una disposición de amplificador que comprende: N etapas de amplificador (101 a 10N), las cuales comprenden una etapa de amplificador principal y una pluralidad de […]
Control de potencia para un transmisor, del 4 de Diciembre de 2019, de Nokia Technologies OY: Un transmisor que comprende: - un modulador que proporciona una senal de radiofrecuencia de envolvente constante 5 modulada en […]
Circuito de amplificación de potencia Doherty y amplificador de potencia, del 4 de Diciembre de 2019, de HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.: Un circuito de amplificación de potencia Doherty, caracterizado por: el circuito de amplificación de potencia Doherty es un circuito de amplificación […]
Amplificadores de potencia distribuidos, del 4 de Diciembre de 2019, de TELEFONAKTIEBOLAGET LM ERICSSON (PUBL): Un amplificador de potencia para amplificar una señal de entrada en una señal de salida, en donde el amplificador de potencia (100, 200, 500, 800, […]
Método de control para una fuente de alimentación de seguimiento rápido, sistema y fuente de alimentación de seguimiento rápido, del 23 de Octubre de 2019, de HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.: Un suministro de alimentación de seguimiento rápido que comprende: una unidad de control (B10), una fuente de voltaje controlable combinada (B11), una unidad […]