Aportación a la linealización de amplificadores de potencia mediante la teoría de la hiperestabilidad

Abstract

Esta tesis trata de la aplicación del control adaptativo con modelo de referencia en paralelo para la linealización de un amplificador de potencia y del uso de la propiedad de la pasividad (hiperestabilidad) en el diseño de la ley de adaptación correspondiente. Como resultado de nuestra investigación diseñamos un linealizador de complejidad comparable o inferior a la de otros esquemas de linealización actualmente en uso que está en grado de reducir la distorsión AM/AM y AM/PM con una prestación comparable o superior.<br/>Si bien el concepto de pasividad ha sido estudiado en el campo de la Teoría de Control, no había sido realizado hasta ahora un estudio en detalle para su aplicación concreta en la linealización de amplificadores de potencia en radiofrecuencias (RF), considerando tanto la distorsión de fase como la de amplitud.<br/>Nuestra aportación es, ciertamente, haber aplicado la teoría del control adaptativo y el concepto de la pasividad en forma Cartesiana a la solución del problema de la linealización de amplificadores de potencia operando en RF, asunto en el que tal aplicación resulta inédita, y haber obtenido un linealizador novedoso con unas prestaciones elevadas en comparación con otras técnicas de linealización bien afianzadas.<br/>Esta tesis está dividida en 7 capítulos. En el primer capítulo se presenta una perspectiva general del problema y se establecen los objetivos general y específicos de la investigación.<br/>En el capítulo 2 caracterizamos formalmente las señales de entrada y salida del amplificador de potencia, describimos los formatos de modulación digital que conciernen al problema y tratamos el asunto del modelo de las alinealidades de un amplificador de potencia. <br/>En el capítulo 3 presentamos los antecedentes del problema: describimos en modo suscinto las diferentes técnicas de linealización que han sido desarrolladas hasta la fecha: anticipativo (feedforward), predistorsión, realimentación (feedback), EE&R, LINC y CALLUM.<br/>En el capítulo 4 desarrollamos los conceptos teóricos relativos a los sistemas analógicos disipativos, y al subconjunto de sistemas pasivos, sin pérdidas (hiperestables) y estrictamente pasivos (asintóticamente hiperestables). Definimos, también, el problema de los sistemas de control adaptativo con modelo de referencia.<br/>En el capítulo 5 aplicamos los conceptos teóricos presentados en el capítulo 4 y diseñamos un linealizador para amplificadores de potencia. En este capítulo probamos con diferentes combinaciones de leyes de adaptación para linealizar un amplificador de potencia que presenta distorsión de amplitud y, luego, distorsión de fase. Finalmente proponemos varias estructuras para la implementación física del linealizador. De entre estas estructura una es analizada en detalle.<br/>En el capítulo 6, usando como banco de pruebas (benchmark) los datos experimentales de un amplificador de potencia para aplicaciones en 28 GHz, sometemos a prueba nuestro linealizador y lo contrastamos con otros esquemas de linealización (cartesian feedback} y feedforward), en el mismo escenario, y comprobamos que el rendimiento del linealizador diseñado es superior. En el capítulo 7, finalmente, presentamos nuestras conclusiones y ofrecemos algunas alternativas para futuras investigaciones en esta área. This thesis deals with the use of the parallel model reference adaptive control to the RF power amplifier's linearization problem, by exploiting the use of the passivity (hyperstability) property in the design of the corresponding adaptation law.<br/>As a result of our investigation, we obtain a linearizer structure with comparable or inferior complexity to that of other linearization techniques currently in use, and which is capable of reducing the AM/AM and AM/PM distortion with a comparable or superior performance.<br/>Although the concept of passivity has been studied in the field of the Control Theory, up to now it had not been carried out a detailed study for its application to the linearization of power amplifiers (PA) at radio frequencies (RF), considering both the phase and the amplitude distortions.<br/>Our contribution is the study of the application of the Adaptive Control Theory and the concept of the Passivity in Cartesian form to the solution of the RF power amplifier linearization problem, matter up to day unpublished, and the proposal of a novel linearizer with high performance in comparison with other well consolidated linearization techniques.<br/>This thesis is divided in 7 Chapters. In the first Chapter it is presented a general perspective of the problem, and both the global and the specific objectives of the investigation are settled down.<br/>In Chapter 2 we characterize the power amplifier input and output signals formally, we describe the digital modulation formats that concern to the problem and we treat the matter of the PA nonlinearities modelling.<br/>In Chapter 3 we present the problem antecedents: we describe in concise way some different linearization techniques that have been developed so far: feedforward, predistortion, feedback, EE&R, LINC and CALLUM.<br/>In the chapter 4 we develop the theoretical concepts relative to analog dissipative systems, and to the subset of passive systems, lossless (hyperstables) and strictly passive (asymptotically hyperstables). We define, also, the problem of the model reference adaptive control systems.<br/>In Chapter 5 we apply the theoretical concepts presented in Chapter 4 and we design a power amplifier linearizer. In this chapter we prove different adaptation laws combinations for linearizing a PA that exhibits amplitude distortion and, moreover, phase distortion. Finally, we propose several structures for the physical implementation of the linearizer. Among these structures one is analyzed in detail.<br/>In Chapter 6, using as benchmark the experimental data of a power amplifier for applications at 28 GHz, we test our linearizer and we contrast it with other linearization schemes (Cartesian feedback and feedforward), at the same scenario, and we check the<br/>performance of the designed linearizer. In Chapter 7, finally, we present our conclusions and we offer some alternatives for future investigations in this area.