Continuous mode class F amplifier

Abstract

Diese Diplomarbeit beschaeftigt sich mit dem Entwurf und Bau eines breitbandigen und hocheffizienten HF-Leistungsverstaerkers. Fur diesen Verstaerker wurde 'continuous mode class F' als Betriebsart festgelegt. Dieser Modus eroeffnet die Moeglichkeit, breitbandige aber auch gleichzeitig effiziente Verstaerker zu realisieren. Aufgrund der Betriebsart, und der damit verbundenen Nichtlinearitaet des Transistors, ist eine Kleinsignalbeschreibung nicht moeglich. Ein ueblicher Ansatz ist das Verhalten des Transistors fuer verschiedene Ein- und Ausgangsreflexionskoeffizienten zu beschreiben. Das verfuegbare Transistormodell war nicht ausreichend, daher musste auf eine messtechnische Erfassung mittels 'load pull' zurueckgegriffen werden. Hierzu wurde ein 'cascaded load pull' Messsystem verwendet. Um die fuer den Klasse F Betriebsmodus benoetigten hochreflektierenden Abschlussimpedanzen zu realisieren, wurde im Zuge dieser Arbeit das Messsystem um eine eigens entwickelte breitbandige Voranpassung erweitert. Diese ermoeglichte es, die Messaufloesung so zu erhoehen, dass verwertbare Messergebnisse fuer den Klasse F Betriebsmodus gewonnen werden konnten. Nach der Bestimmung der benoetigten Abschlussimpedanzen, erfolgten der Entwurf und die Fertigung entsprechender Anpassnetzwerke. Dieses doppelseitige Anpassproblem Problem ist geschlossen nicht loesbar, kann jedoch durch numerische Methoden wie SRFT (Simplified Real Frequency Technique) behandelt werden. Fuer die Realisierung der Anpassnetzwerke wurden Filter aus elektrisch gleich langen Leitungen gewaehlt, da diese sehr gut fuer ein breitbandiges Verstaerkerdesign geeignet sind. Die entsprechenden Anpassnetzwerke wurden in einem rapid prototyping Prozess realisiert und mit dem vorcharaterisierten Transistor zu einem Verstaerkermodul kombiniert. Daraus ergibt sich ein 10 W 'continuous mode class F' Leistungsverstaerker, mit einer Mittenfrequenz von 2,5 GHz und einer relativen Bandbreite von 12,5 %. Fuer die gesamte Bandbreite zeigt der Verstaerker einen Wirkungsgrad (PAE) von mindestens 65 %. Damit erfuellt der Verstaerker nicht nur die Vorgaben dieser Arbeit, sondern ist mit diesen Kenndaten gleichauf mit aktuellen Ergebnissen aus Industrie und Forschung.

This diploma thesis addresses design and construction of a highly efficient broadband RF power amplifier. Furthermore, it was determined to use continuous mode class F as mode of operation. This mode enables highly efficient operation over a wide frequency range. Because of the mode of operation, and the associated nonlinearities of the transistor, a small signal description is not possible. Therefore, a usual approach is to describe the behaviour of the transistor as a result of the applied input and output reflection coefficients. Because the supplier's transistor model was not applicable for this design, it was required to characterise the transistor using 'load pull' measurement techniques. More specifically, a 'cascaded load pull' setup was used. In order to overcome some basic limitations of such a system, namely to realise highly reflective terminations for the class F operation, the measurement setup was expanded with a specifically developed prematch. With this prematch, the measurement resolution can be increased significantly, which turned out to be crucial. After finding the required terminations, appropriate matching networks had to be designed and constructed. A closed form solution of this issue is not possible, hence, a numerical approach namely SRFT (Simplified Real Frequency Technique) was used. For the realisation filters with equally long transmission lines were used, because such filters are very well suited for a broadband amplifier designs. The designed matching networks were realised in a rapid prototyping process and combined with the pre-characterised transistor in order to build the resulting amplifier. Hence, a 10 W class F amplifier with a center frequency of 2.5 GHz and a relative bandwidth of 12.5 % was constructed. The amplifier has an efficiency (PAE) greater than 65 % over the whole bandwidth. Hence, not only the requirements of this work are fulfilled, furthermore, the achieved parameters are comparable to recently published works.