Técnica para mejorar la linealidad en arrays activos aprovechando sus propiedades de combinación espacial de potencia

In this paper, a linearity improving technique for active arrays, based on spatial power combining, is presented. An auxiliary branch is employed to cancel the radiation pattern at the intermodulation distortion (IMD) components in the main beam direction. The need for having a precise amplitude and phase control over the IMD currents in the array auxiliary elements is demonstrated, quantifying the possible degradation suffered in the Carrier to Intermodulation Distortion ratio (CIMD) improvement obtained when this solution is applied. The potentialities of implementing the derivative superposition technique in large-signal regimes in an array are finally proposed. I. INTRODUCCION Los modernos sistemas de comunicaciones utilizan modulaciones digitales que permiten asegurar una alta velocidad y fiabilidad en la transmision de datos. Las distorsiones AM-AM y AM-PM producidas cuando la envolvente compleja de la senal se inyecta al amplificador RF de potencia obligan a imponer estrictos requisitos en cuanto a linealidad a los bloques de RF. En [1] se describen varias topologias para mejorar la linealidad o la eficiencia, que ofrecen diversos grados de funcionamiento en funcion de la complejidad de la circuiteria. El primer grupo intenta principalmente reducir los niveles de IMD producidos por un amplificador clase B o C, mientras que el segundo esta encaminado a controlar dinamicamente el consumo de potencia en una amplificacion clase A. La mayoria de estos metodos requieren una circuiteria RF compleja y cara, razon por la cual se esta prestando una especial atencion al desarrollo de disenos novedosos, compactos y de bajo coste. Las tecnicas a nivel de dispositivo son un claro ejemplo de los esfuerzos mas recientes tanto en la forma de un control preciso de la alimentacion o una optimizacion de la carga para mejorar la linealidad [2], o bien, en la concepcion de un nuevo transistor “lineal” anadiendo dispositivos auxiliares de generacion de IMD [3]. Una de estas novedosas tecnicas es la superposicion de derivadas [4] en la que se anade en paralelo al transistor principal un dispositivo auxiliar que trabaja en condiciones de baja ganancia para producir una corriente IMD opuesta a la del principal. Las tecnicas de combinacion espacial de potencia en su mas amplia concepcion, incluyendo los arrays [5], constituyen una prometedora solucion para la generacion de altos niveles de potencia en aplicaciones de microondas y ondas milimetricas. Este tipo de combinacion multiple de dispositivos permite tanto una mejora de la eficiencia sobre tecnicas de circuitos impresos como concentrar la potencia de radiacion en un lobulo que apunta a una direccion deseada. Si se combinan elementos que tienen una distribucion de amplitud uniforme, la mas usual, las corrientes a la frecuencia fundamental y de IMD estan correladas, determinando patrones similares. Sin embargo, en un trabajo reciente [6], se ha presentado la posibilidad de incorrelar estas corrientes mediante la distribucion espacial del patron de distorsion a traves del uso de un circuito predistorsionador de segundo orden. En este articulo, se presenta una tecnica para mejorar la linealidad en arrays activos basada en la combinacion espacial de potencia. En ella se busca cancelar el patron de radiacion a las componentes de distorsion en la direccion principal. Se emplea un elemento por subarray para generar los valores adecuados de amplitud y fase a las frecuencias de IMD, sin contribuir a la frecuencia deseada. Se ha estudiado la degradacion sufrida en la linealidad, tanto en el caso de tener desajuste en la amplitud y fase necesarias en las corrientes IMD, como en el de no conseguir eliminar completamente las componentes fundamentales. II. ANALISIS DEL PATRON DE RADIACION A LAS FRECUENCIAS DE DITORSION EN ARRAYS TRANSMISORES ACTIVOS El patron de radiacion para un array como el que se presenta en la figura 1, formado por M subarrays de N+1 elementos, se puede calcular con (1)