Electrothermal design and realization of high efficiency class F power amplifier

Elarbi, Mustafa (2018). Electrothermal design and realization of high efficiency class F power amplifier. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

With the increasing widespread use and popularity of cell phones, laptops and similar electronic mobile equipment, there is a subsequent rising need for faster operational speeds. At the same time, increasing amounts of energy are both being used and demanded. How to satisfy these growing needs through longer battery life is currently a major focus of research.

Power amplifiers (PAs) on wireless devices are causing endless problems for users of wireless telecommunication equipment due to their drain on the power system. Researchers are also looking into ways to increase the operational power-added efficiency (PAE) in amplifiers, this leads to reduce quantity of dissipated power. PAE changes DC power into RF, so when PAE is amplified, wireless devices can draw the same level of energy even while consuming less. Of particular interest to researchers are the non-linear class-F and class F invers PAs, which have a deserved reputation for their high levels of energy output and exceptional PAE. Class-F enhances PAE through the control of harmonic content.

Agilent’s Advanced design system (ADS) can be applied in the performance of simulations and desing work. Cree’s compagny provided the ADS model of Cree’s CGHV1J006D high elcton mobility transistor (HEMT). A high efficiency PA was built using LTCC technology on an Ferro A6M. Both the input and output harmonics are controlled, while the input wave-shaping network dictates the shape of waveforms at the gate. Furthermore, in stopping harmonics using suitable terminators positioned at the output, we get a square voltage waveform and a half-sine current waveform near the transistor drain terminal. The spaces shared by the current waveforms and the voltage can also be reduced in size, as can the energy use of the active device.

The outcome was the ability to run a device at 5.7GHz on a PAE of 54.63%, and 36.25dBm output power. In addition, a novel thermal reliability analysis method based on ANSYS is proposed also to evaluate PA thermal characteristic. We used some materials have high thermal conductivity like a Cupper Diamond to dissipate the heat to the ambient.

This work demonstrates Class-F PA’s ability to radically improve PAE by stopping the second and third harmonic powers delivering to the load and by having the waveforms shaped near the transistor terminals.

Résumé traduit

Avec l'utilisation et la popularité croissantes des téléphones mobiles, des ordinateurs portables et des dispositifs mobiles électroniques similaires, il existe un besoin croissant de vitesses opérationnelles plus rapides. En même temps, des quantités croissantes d'énergie sont utilisées et demandées. Comment répondre à ces besoins croissants grâce à une durée de vie plus longue de la batterie est actuellement un axe majeur de recherche.

Les amplificateurs de puissance (AP) des appareils sans fil provoquent des problèmes sans fin pour les utilisateurs d'équipement de télécommunications sans fil en raison de leur consommation d’énergie très importante. Les chercheurs étudient également des moyens d'augmenter l'efficacité de la puissance opérationnelle ajoutée (PAE) dans les amplificateurs, ce qui réduit la quantité de puissance dissipée. La PAE change l'alimentation DC en RF. Par conséquent, quand le PAE est amplifié, les appareils sans fil peuvent tirer la même quantité d'énergie même en consommant moins. Les AP non linéaires de classe F et de classe F inverse, qui ont une réputation bien méritée pour leurs niveaux élevés de production d'électricité et leurs PAE, présentent un intérêt particulier pour les chercheurs. La Classe-F améliore la PAE en contrôlant le contenu harmonique.

Advanced Design System (ADS) d'Agilent a eté utilisé dans les simulations et les travaux de conception. le modèle CGHV1J006D de transistor à haute mobilité électronique a été utilisé dans la campany de modèle de Cree (HEMT). Un PA à haute efficacité a été construit en utilisant la technologie LTCC sur un Ferro A6M. Les harmoniques d'entrée et de sortie sont toutes deux contrôlées, tandis que le réseau de forme d'onde d'entrée détermine la forme des ondes à la grille. De plus, en arrêtant les harmoniques en utilisant des terminaisons appropriées réglées en sortie, nous obtenons une forme d'onde de tension carrée et une forme d'onde demi-sinusoïdale près de la borne de drain du transistor. Les espaces partagés par les formes d'onde de courant et la tension peuvent également être réduits en taille, tout comme la consommation d'énergie du dispositif actif.

Le résultat consiste à pouvoir faire fonctionner un périphérique à 5,7 GHz avec une PAE de 54,63% et une puissance de sortie de 36,25 dBm. De plus, une nouvelle méthode d'analyse de fiabilité thermique basée sur ANSYS est également proposée pour évaluer la caractéristique thermique de l’AP. Nous avons utilisé des matériaux à haute conductivité thermique comme un alliage de cuivre et de diamant pour dissiper la chaleur dans l’environnement ambiant.

Ce travail démontre la capacité de la Classe F à améliorer considérablement le PAE en bloquant les puissances des deuxième et troisième harmoniques délivrées à la charge et en s'assurant que les formes d'onde sont formées près des bornes du transistor.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 89-91).
Mots-clés libres:	amplificateur de puissance, classe F, puissance dissipée, transfert de chaleur
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kouki, Ammar B.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	03 déc. 2018 20:43
Dernière modification:	21 mars 2019 19:27
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2171

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