Load insensitive radio frequency amplifiers to MIMO applications

Abstract

This document focuses on techniques to make a radio frequency amplifying stage insensitive to load variation. Solutions like isolators, balanced amplifiers, balanced antenna and adaptive matching system are addressed from a theoretical point of view. The class–E working in sub-optimum regime has proved to maintain its efficiency over a certain load variation condition. This switching–mode class is known to achieve high efficiencies and combined with a load insensitive behaviour, can be definitely pointed as an elegant and simple solution. This configuration is implemented and tested. A 10W GaN HEMT transistor is the active device of the amplifier and the matching networks printed in an Isola Astra substrate (_ = 3 and h = 0.76). Attaining a maximum drain efficiency of 74.3 % with 12.2 % variation and 13.9 dB of maximum gain with 1.9 dB variation, for a sweep of load resistances between 30 and 200 , the design is considered to be load insensitive according to the requirements of this dissertation.

Esta dissertação aborda técnicas que mantenham a performance de um andar de amplificação RF, perante uma situação de variação de carga. Soluções como isoladores, amplificadores balanceados, antenas balanceadas e malhas de adaptação variáveis são abordadas do ponto de vista teórico. O amplificador em classe–E, em regime sub–ótimo provou ter um comportamento insensível à variação de carga. Este tipo de amplificador é conhecido pela sua elevada eficiência que, podendo ser combinada com a insensibilidade à variação de carga, pode afirmar-se como uma solução elegante e eficiente. Um transístor GaN HEMT de 10 W é usado como dispositivo ativo do amplificador e as malhas de adaptação impressas no substrato Isola Astra (_ = 3 and h = 0.76). Com esta arquitectura foi obtida uma eficiência máxima de 74.3 %, com uma variação de 12.2 %, um ganho de 13.9 dB, com uma variação de 1.9 dB, para uma variação da resistência de carga compreendida entre 30 e 200 . Com estes resultados e segundo os parâmetros definidos neste documento, considerou-se um projecto insensível à resistência de carga.