An efficiency-enhanced power combining and recycling network for LINC power amplifiers

Yang, Jinmei (2024). An efficiency-enhanced power combining and recycling network for LINC power amplifiers. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Linear amplification using nonlinear components (LINC) is one of the various methods to provide high power amplifier efficiency and, at the same time, present good linearity. In this method, two constant amplitude phase-modulated signals, amplified respectively by two identical high-efficiency power amplifiers, are summed to achieve power amplification. During the summing of the signals using a combiner, like the Wilkinson combiner, energy is lost as heat through the isolation resistor. The design and implementation of a modified Wilkinson power combiner for LINC power amplifiers are investigated in this thesis. The goal is to increase the power efficiency of the LINC power amplifier by recycling the power that would be dissipated as heat in the resistor.

The work includes separate designs for three components: (i) a traditional Wilkinson combiner, (ii) a Balun, and (iii) a power recycling rectifier. An RF power summing and RF power recycling network are formed by integrating the three components. The overall performance is measured.

The design and simulation are conducted for the Wilkinson combiner with an LC Balun replacing the resistor. The fabricated prototype demonstrates a maximum power efficiency of 93.3% at the RF summing port and a maximum efficiency of 91.7% at the RF difference port.

A rectifier composed of two sub-rectifier and one impedance compression network is simulated, and the performance is verified with a fabricated prototype. The proposed rectifier can achieve 66.2% of the maximum rectifying efficiency with 20 dBm RF input signal power at 3.5GHz. It is also observed that from 6 dBm to 24 dBm, the designed circuit presents a rectifying efficiency greater than 40%.

The overall performance is evaluated by cascading the designed Wilkinson combiner, the Balun, and the rectifier. 53.5% of DC power recycling efficiency is observed at 2.7GHz with 20 dBm RF input signal power at the Wilkinson input ports. It is also observed that from 8 dBm to 20 dBm, the designed circuit presents a rectifying efficiency greater than 40%.

Titre traduit

Un réseau de combinaison et de recyclage de puissance à efficacité améliorée pour l'amplificateur de puissance

Résumé traduit

L'amplification linéaire à l'aide de composants non linéaires (LINC) est l'une des différentes méthodes permettant d'obtenir une efficacité d'amplificateur de puissance élevée et, en même temps, de présenter une bonne linéarité. Dans cette méthode, deux signaux modulés en phase à amplitude constante, amplifiés respectivement par deux amplificateurs de puissance à haute efficacité identiques, sont additionnés pour obtenir une amplification de puissance. Cependant, lors de la combination des signaux au moyen d'un dispositif telle que le combinateur Wilkinson, l'énergie se dissipe sous forme de chaleur à travers la résistance d'isolement. Ce mémoire étudie la conception et la mise en œuvre d'un combinateur de puissance Wilkinson modifié pour les amplificateurs de puissance LINC. L'objectif est d'augmenter l'efficacité énergétique de l'amplificateur de puissance LINC en recyclant la puissance généralement dissipée sous forme de chaleur dans la résistance.

Le travail comprend des conceptions distinctes pour trois composants; (i) un combineur Wilkinson traditionnel, (ii) un Balun et (iii) un redresseur de recyclage de puissance. Un réseau de sommation de puissance RF et de recyclage de puissance RF est formé en intégrant trois composants, dont les performances globales sont mesures.

La conception et la simulation sont réalisées pour le combinateur Wilkinson avec un Balun LC remplaçant la résistance. Le prototype fabriqué démontre une efficacité de puissance maximale de 93,3 % au port de sommation RF et une efficacité maximale de 91.7 % au port de différence RF.

Un redresseur composé de deux sous-redresseurs et d'un réseau de compression d'impédance est simulé, et les performances sont vérifiées avec le prototype fabriqué. Le redresseur proposé peut atteindre jusqu’à 66,2 % de l'efficacité de redressement maximale avec une puissance de signal d'entrée RF de 20 dBm à 3,5 GHz. On observe également que de 6 dBm à 24 dBm, le circuit conçu présente un rendement de redressement supérieur à 40%.

Les performances globales sont évaluées en mettant en cascade le combinateur Wilkinson conçu, le Balun et le redresseur. 53,5 % de l'efficacité du recyclage de l'alimentation CC est observée à 2,7 GHz avec une puissance de signal d'entrée RF de 20 dBm au port d'entrée Wilkinson. On observe également que de 8 dBm à 20 dBm, le circuit conçu présente un rendement de redressement supérieur à 40 %.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of master electrical engineering with thesis". Comprend des références bibliographiques (pages 59-61).
Mots-clés libres:	amplificateur de puissance LINC, combineur de puissance, recyclage de puissance, redresseur, conversion RF en CC
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kouki, Ammar B.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	14 mars 2024 16:30
Dernière modification:	23 avr. 2024 15:56
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3439

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