Two-Stage Power Amplifier With Interstage Mismatch and Envelope Tracking for Improved Linearity and Efficiency

Abstract

Utgangspunktet for avhandlingen er å utforske bruken av en driver-forsterker i serie med en effektforsterker. Hvor mismatch i matchenettverket mellom forsterkertrinnene, og envelope tracking av effektforsterkeren er brukt til å forbedre linearitet og effektivitet, slik at flat forsterkning og fase er oppnådd. Det å bruke envelope tracking for å oppnå flat forsterkning på bekostning av stor fasevariasjon er en svært etablert teknikk. Derimot, mismatch av matchenettverket mellom forsterkerne for å redusere fasevariasjon er ikke svært etablert.

Den foreslåtte to-trinns effektforsterkeren er en diskre implementasjon som er simulert i Keysight Advanced Design System (ADS) for å bekrefte ønsket oppførsel, et layout er deretter lagd slik at forsterkeren kan bli produsert på et kretskort. Det produserte kretskortet er deretter målt ved NTNU’s RF-laboratorium. To-trinns effektforsterkeren bruker gallium-nitrid (GaN) high-electron-mobility transistorene (HEMT) fra Wolfspeed som aktive enheter. Driver-forsterkeren bruker en 10 W CG2H40010 transistor, mens effektforsterkeren bruker en 25 W CG2H40025 transistor.

Når to-trinns effektforsterkeren har litt mismatch, og er envelope tracked for en flat forsterkning på 14.1 dB, så oppnår forsterkeren en gjennomsnittlig utgangseffekt på 37.2 dBm med en peak-to-average power ratio (PAPR) på 7.2 dB. Dette gir en utgangseffekt som er 44.4 dBm ved toppen. Den gjennomsnittlige power-added efficiency (PAE) er 33.1 %, mens variasjonen i forsterkning er mindre enn 0.5 dB, og fasevariasjonen er mindre enn 2.8°. Trackingen for flat forsterkning på 15.5 dB gir en gjennomsnittlig PAE på 30.1 %, og en variasjon i forsterkningen som er mindre enn 0.5 dB, mens fasevariasjonen er mindre enn 3.4°.

The foundation for this thesis is to explore the use of a driver amplifier in series with a power amplifier. Where mismatching the interstage matching network and envelope tracking the power amplifier is used to improve linearity and efficiency, by achieving flat gain and phase. Using envelope tracking to accomplish flat gain at the cost of large phase variation, is a well-established technique. However, mismatching an interstage network to reduce phase variation is not well-established.

The proposed two-stage power amplifier is a discrete implementation simulated in Keysight Advanced Design System (ADS) to confirm wanted behavior, a layout is then created such that the amplifier can be produced on a printed circuit board (PCB), the produced circuit board is then measured at NTNU’s RF-laboratory. The two-stage power amplifier uses gallium nitride (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMT) from Wolfspeed as active devices. The driver amplifier uses the 10 W CG2H40010 transistor, while the power amplifier uses the 25 W CG2H40025 transistor.

The two-stage power amplifier, with a slight mismatch and envelope tracked for a flat gain of 14.1 dB, achieves an average output power of 37.2 dBm with a peak-to-average power ratio of 7.2 dB, giving a peak output power of 44.4 dBm. The average power-added efficiency is 33.1 %, while the gain ripple is less than 0.5 dB, and total phase variation is less than 2.8°. The 15.5 dB flat gain tracking achieves an average power-added efficiency of 30.1 %, and a gain ripple of less than 0.5 dB while the total phase variation is less than 3.4°.