Soluciones hardware de potencia y radiofrecuencia para sistemas de comunicaciones sostenibles de próxima generación y aplicaciones derivadas

• Autores: David Vegas Bayer
• Directores de la Tesis: José Ángel García García (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2021
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Power and radiofrequency hardware solutions for next generation sustainable communication systems and derived applications
• Tribunal Calificador de la Tesis: Teresa María Martin Guerrero (presid.), Tomás Fernández Ibáñez (secret.), Pere Lluis Gilabert Pinal (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de la Información y Comunicaciones en Redes Móviles / Mobile Network Information and Communication Technologies por la Universidad de A Coruña; la Universidad de Cantabria; la Universidad de Oviedo; la Universidad de Zaragoza y la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología electrónica
      • Diseño de circuitos
      • Transmisores de radio
      • Transistores
    • Tecnología de las telecomunicaciones
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: UCrea
• Resumen
  • español

    En la actualidad, en el área de las comunicaciones inalámbricas, existe una especial preocupación por reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera y, por ende, el gasto energético. En este sentido, la eficiencia energética en las estaciones base (Radio Base Stations, RBS) juega un papel fundamental en los sistemas inalámbricos de comunicación. Los últimos avances hacia nuevas generaciones en las comunicaciones inalámbricas, empleando formatos de modulación espectralmente cada vez más eficientes, requieren manejar señales que presentan valores de relación de potencia pico a potencia promedio (PAPR) muy elevados. Por este motivo, el diseño de arquitecturas de transmisión para el 5G y los futuros estándares de comunicaciones inalámbricas es cada vez más complejo ya que se debe proporcionar una operación altamente eficiente sobre un rango de control de potencia de salida mayor.

    En este sentido, en esta tesis doctoral se proponen diferentes topologías inversoras de elevado rendimiento, operando en clase-E o basándose en la continuidad de modos de la clase-E, para su posterior utilización en transmisores eficientes de señales de comunicación. Se han diseñado e implementado amplificadores de potencia de bajas pérdidas y con reducida sensibilidad a las variaciones de la resistencia de carga que, al ser empleados en arquitecturas de transmisión, permiten manejar señales con altos valores de PAPR manteniendo una alta eficiencia y linealidad. De hecho, tras ser integrados en transmisores outphasing y en arquitecturas combinadas del tipo “Load Modulated Balanced Amplifiers (LMBA)” se han alcanzado valores de eficiencia que podrían considerarse en el estado del arte.

    Por otro lado, estas topologías amplificadoras también han sido utilizadas para diseñar e implementar su circuito dual con inversión temporal, el rectificador síncrono. Su implementación conjunta, al conectarlos en cascada, ha permitido el diseño e implementación de convertidores resonantes DC/DC, que podrían ser utilizados como moduladores de envolvente en arquitecturas Envelope Tracking (ET) y de Envelope Elimination and Restoration (EER), siendo también adecuados para su uso en fuentes de alimentación que requieran una alta densidad de potencia y una respuesta muy rápida, gracias a su reducido tamaño y elevado ancho de banda.

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  • English

    Nowadays, in the area of wireless communications, there is a special concern to reduce greenhouse gas emissions into the atmosphere and, therefore, energy consumption. In this sense, energy efficiency in Radio Base Stations (RBS) plays a fundamental role in wireless communication systems. The latest advances towards new generations in wireless communications, employing increasingly efficient spectral modulation formats, require handling signals with very high peak to average power ratio (PAPR) values. For this reason, the design of transmission architectures for 5G and future wireless communication standards is increasingly complex since highly efficient operation must be provided over a wider output power control range. In this sense, this doctoral thesis proposes different high-efficiency topologies, operating in class-E or based on the continuity of class-E modes, for their use in efficient transmitters. Low loss power amplifiers with reduced sensitivity to load resistance variations have been designed and implemented that, when used in transmission architectures, allow handling signals with high PAPR values while maintaining a high efficiency and linearity. In fact, after being integrated in outphasing and Load Modulated Balanced Amplifier (LMBA) architectures, have been reached efficiency values that could be considered in the state of the art. On the other hand, these inverters have been used to design and implement their time reversal duality circuit, the synchronous rectifier. Their connection in cascade has allowed the design of resonant DC / DC converters, which could be used as envelope modulators in Envelope Tracking (ET) and Envelope Elimination and Restoration (EER) architectures, among others.