Distributed Topology for Improved Thermal Performance in RFPA Design

Abstract

Denne oppgaven tar for seg hvordan en distribuert topologi kan benyttes for å redusere den termiske belastningen i effektforsterkere. Dette er en høyaktuell problemstilling i moderne radiosystem med redusert effektivitet grunnet avanserte modulasjonsteknikker og høy båndbredde, kombinert med stadig mer kompakte system. Ved å kombinere flere transistorer i en distribuert topologi reduseres den termiske belastningen på de individuelle transistorene og kjølingen forenkles. Dette gir en økt pålitelighet for systemene, eller tillater at utgangseffekten kan økes.

En metode er presentert der man ser på varmefordelingen når flere transistorer er montert på samme bakplate. Denne metoden er benyttet i et eksempel for å belyse gevinsten med en distribuert topologi. Resultatet viser at en distribuert topologi gir en betydelig lavere driftstemperatur. Med bakgrunn i metoden er også ulike konfigurasjoner og betydningene av design parameterne diskutert.

Designet av en 100W PA med distribuert topologi er også presentert. Den termiske oppførselen til forsterkeren er målt, og stemmer godt overens med resultatet fra den presenterte metoden. Likevel er det for stor måleusikkerhet til å si med sikkerhet at metoden gir et presist estimat. Forsterkeren har en målt P_{del}>50 dBm, PAE mellom 57-63% and GT på 11-12 dB i frekvensområdet 1.75-2.25 GHz. Forsterkeren har et prematurt vinningstap og er kun stabil under gitte forhold. Likevel, viser designet at en distribuert topologi er egnet for design av effektforsterkere med høy utgangseffekt.

Konklusjonen er at distribuert topologi er en velegnet metode for å redusere den termiske belastningen. Det er likevel en svært kostbar metode, med tanke på økt antall komponenter, økt areal og økt kompleksitet. Det er derfor viktig at det gjøres en avveining om det er nødvendig for applikasjonen.

This work considers how a distributed topology can be used to reduce thermal challenges in power amplifiers. This is a relevant topic for modern radio systems where thermal considerations are a limiting factor due to highly modulated signals, large bandwidth and increasingly integrated systems. Combining multiple transistors in a distributed topology reduces the thermal stress on the individual transistors and simplifies cooling. This increases the reliability or allows increased output power.

A method for analysing a distributed topology is presented, where the thermal coupling for multiple transistors mounted on the same baseplate is considered. The gain of a distributed topology is discussed through an example, where the result shows that the distributed topology has a considerably reduced junction temperature. The method is also used to discuss different topologies and design parameters.

The design of a 100W PA with a distributed topology is also presented. The thermal behaviour of the amplifier is measured and fits well with the results from the presented model. However, the measurement uncertainty is too significant that it can be stated that the model gives a precise estimate. The amplifier has a measured Pdel>50 dBm, PAE of 57-63% and GT of 11-12 dB in the 1.75-2.25 GHz frequency range. The amplifier has premature gain compression and is shown to only be conditionally stable. However, the design shows that a distributed topology is suitable for high power PA design.

The conclusion is that distributed topology is a good method for reducing the thermal stress in a PA. However, it is costly due to an increased number of components, larger area and increased complexity. Consequently, it should only be considered where it is necessary.