amplificador de potencia de RF

Un amplificador de potencia de radiofrecuencia ( amplificador de potencia de RF ) es un tipo de amplificador electrónico que convierte una señal de radiofrecuencia (RF) de baja potencia en una señal de mayor potencia. ^{[ 1 ]} Normalmente, los amplificadores de potencia de RF se utilizan en la etapa final de un transmisor de radio , y su salida alimenta la antena . Los objetivos de diseño suelen incluir ganancia , potencia de salida, ancho de banda, eficiencia energética, linealidad (baja compresión de la señal a la potencia nominal), adaptación de impedancia de entrada y salida, y disipación de calor.

El funcionamiento de los circuitos amplificadores de RF se clasifica según la proporción del ciclo de la señal de radio sinusoidal en la que el amplificador (transistor o tubo de vacío) conduce corriente. Las clases A , AB y B se consideran amplificadores lineales, en los que el dispositivo activo actúa como fuente de corriente controlada, mientras que la clase C es un amplificador no lineal, en el que el dispositivo activo actúa como interruptor. La polarización en la entrada del dispositivo activo determina la clase del amplificador.

Una disyuntiva común en el diseño de amplificadores de potencia es la que existe entre eficiencia y linealidad. Las clases mencionadas anteriormente se vuelven más eficientes, pero menos lineales, en el orden en que se enumeran. Operar el dispositivo activo como un interruptor resulta en una mayor eficiencia, teóricamente hasta el 100%, pero menor linealidad. ^{[ 2 ]} Entre las clases de modo de conmutación se encuentran la clase D , la clase E y la clase F. [ ^{3 ] El} amplificador de clase D no se usa con frecuencia en aplicaciones de RF porque la velocidad de conmutación finita de los dispositivos activos y el posible almacenamiento de carga en saturación podrían conducir a un gran producto IV, ^{[ 2 ]} lo que deteriora la eficiencia.

Los amplificadores de potencia de RF modernos utilizan dispositivos de estado sólido , predominantemente MOSFET (transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor). ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} Los primeros amplificadores de RF basados ​​en MOSFET datan de mediados de la década de 1960. ^{[ 7 ]} Los transistores de unión bipolar también se usaban comúnmente en el pasado, hasta que fueron reemplazados por MOSFET de potencia , particularmente transistores LDMOS , como la tecnología estándar para amplificadores de potencia de RF en la década de 1990, ^{[ 4 ] [ 6 ]} Los BJT todavía se usan comúnmente para amplificadores de potencia de alta frecuencia. En términos generales, los amplificadores de potencia de estado sólido (SSPA) contienen cuatro componentes principales: entrada, salida, etapa de amplificación y fuente de alimentación. ^{[ 8 ]}

Los transistores MOSFET y otros dispositivos modernos de estado sólido han reemplazado a las válvulas de vacío en la mayoría de los dispositivos electrónicos, pero estas últimas aún se utilizan en algunos transmisores de alta potencia (véase Amplificador de RF de válvulas ). Si bien los transistores son mecánicamente robustos, son eléctricamente frágiles : se dañan fácilmente por exceso de voltaje o corriente. Las válvulas, en cambio, son mecánicamente frágiles pero eléctricamente robustas : pueden soportar sobrecargas eléctricas extraordinariamente altas sin sufrir daños apreciables.  

Las aplicaciones básicas del amplificador de potencia de RF incluyen la excitación de otra fuente de alta potencia, la excitación de una antena transmisora ​​y la excitación de resonadores de cavidad de microondas . Entre estas aplicaciones, la excitación de antenas transmisoras es la más conocida. Los transmisores-receptores se utilizan no solo para la comunicación de voz y datos, sino también para la detección meteorológica (en forma de radar ). ^{[ 9 ]}

Los amplificadores de potencia de RF que utilizan LDMOS ( MOSFET de difusión lateral ) son los dispositivos semiconductores de potencia más utilizados en redes de telecomunicaciones inalámbricas , particularmente en redes móviles . ^{[ 4 ] [ 10 ] [ 6 ]} Los amplificadores de potencia de RF basados ​​en LDMOS se utilizan ampliamente en redes móviles digitales como 2G , 3G , ^{[ 4 ] [ 6 ]} y 4G ^{[ 10 ]} y su buena relación costo/rendimiento los convierte en la opción preferida para la radioafición . ^{[ 11 ]}

Las transformaciones de impedancia en un ancho de banda amplio son difíciles de realizar, por lo que, convencionalmente, la mayoría de los amplificadores de banda ancha están diseñados para alimentar una carga de salida de 50 Ω. La potencia de salida del transistor se limita entonces a 

${\displaystyle P_{\text{out}}\leq {\frac {(V_{\text{br}}-V_{\text{k}})^{2}}{8Z_{\text{o}}}},}$

dónde

${\displaystyle V_{\text{br}}}$se define como la tensión de ruptura ,

${\displaystyle V_{\text{k}}}$se define como el voltaje de rodilla,

${\displaystyle Z_{\text{o}}}$Se elige de manera que se pueda cumplir con la potencia nominal.

La carga externa es, por convención,${\displaystyle Z_{\text{L}}=50~\Omega.}$Por lo tanto, debe existir algún tipo de adaptación de impedancia que transforme desde${\displaystyle Z_{\text{o}}}$a${\displaystyle Z_{\text{L}}=50~\Omega.}$

El método de la línea de carga se utiliza a menudo en el diseño de amplificadores de potencia de RF. ^{[ 12 ]}

• amplificador FET
• electrónica de potencia

• Fuentes, Carlos (octubre de 2008). Fundamentos de los amplificadores de potencia de microondas (PDF) (Informe). Berna, Suiza: Centro Europeo de Investigación Nuclear . Archivado del original (PDF) el 3 de marzo de 2013. Recuperado el 5 de marzo de 2013 .

• Khanifar, Ahmad (1 de diciembre de 2014). "Directrices de diseño de amplificadores de potencia de RF de banda ancha / Diseño de amplificadores de potencia de RF para predistorsión digital" . linamptech.com . Soporte técnico. Laguna Hills, CA: Linamp Technologies, Inc. Recuperado el 1 de diciembre de 2014 .