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Distortion in microwave class-S power amplifiers
AL-Mozani, Dhamia
To tackle the critical challenge in microwave transmitters of achieving high efficiency at higher power back-offs, class-S power amplifier, as promising class of operation, attracts the attention since some time ago. It provides a theoretical efficiency of 100% regardless of power back-off which is required nowadays in wireless communication infrastructure. The current work focused on the class-S amplifiers of the voltage mode topology (VMCS) within the 900 MHz band. The research was first directed to the impact of the output network optimization on the overall performance of class-S PA. Two output networks have been designed and realized: the first with lumped elements (capacitors and inductors) and the second with bondwires and capacitors. The results showed that improved higher harmonics suppression due to the bond-wire realization could enhance the drain efficiency of class-S to a certain level while maintaining the same output power. The main research work deals with the linearity of class-S PA. An analysis of the static distortion, that is; static amplitude-to amplitude (AM-AM) conversion and static amplitudeto- phase conversion (AM-PM) was conducted. Load-pull measurements have been performed to help better understanding of the load optimization approach on the linearity in general. Bandpass Delta Sigma Modulated (BPDSM) signal and Pulse Width Modulated (PWM) signal have been used as driving signals of the amplifier for different signal back-offs. The results prove particularly that AM-AM/ AM-PM conversion increases as signal amplitude decreases (contrary to linear PAs) or as the pulses become shorter in time. In this way the presented work contributes a basic aspect to the understanding of class-S PAs.
Im Zuge der Entwicklung von Mikrowellen-Leistungsverstärkern, die auch bei mittleren Leistungen deutlich unterhalb des Maximalwerts einen hohenWirkungsgrad liefern, sind Klasse-S-Verstärker seit einiger Zeit in den Blickpunkt des Interesses gerückt. Sie ermöglichen einen theoretischen Wirkungsgrad von 100 % unabhängig vom Leistungsniveau, was für die heutige und künftige Mobilfunkinfrastruktur sehr interessant ist. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Klasse-S-Verstärker mit Voltage-Mode-Topologie (VMCS) innerhalb des 900- MHz-Bandes. Zuerst wurde der Einfluss der Ausgangsnetzwerkoptimierung auf die Gesamtleistungsverstärkung des Klasse-S-Leistungsverstärkers untersucht. Zwei verschiedene Ausgangsnetzwerke wurden hergestellt und verglichen, eines mit konzentrierten Bauelementen (Kondensatoren und Spulen) und eines mit Bonddrähten und Kondensatoren. Es zeigte sich, das die Bonddraht-Version durch die verbesserte Oberwellenunterdrückung den Drain-Wirkungsgrad bis zu einem gewissen Grad verbessern kann, wobei dieselbe Ausgangsleistung erhalten bleibt. Den Hauptuntersuchungsgegenstand bildet die Linearität des Klasse- S-Leistungsverstärkers. Dabei wurden die statischen Verzerrungen, d. h. die statische AM-AM- und AM-PM-Konversion untersucht. Load-Pull-Messungen dienten dazu, die Wirkung der Lastoptimierung auf die Linearität im allgemeinen zu verstehen. Als Eingangssignale für den Verstärker wurden Bandpass-deltasigma- (BPDSM) und pulsweitenmodulierte (PWM) Signale verschiedener Leistungsstufen benutzt. Die Ergebnisse zeigten insbesondere, dass die AM-AM- und AM-PM-Konversions-Werte ansteigen, wenn die Signalamplitude sinkt (im Gegensatz zu linearen Leistungsverstärkern) oder wenn die Pulse zeitlich kürzer werden. Somit liefert die vorgelegte Arbeit einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis der Klasse-S-Leistungsverstärker im Mikrowellenbereich.
