Linealización de Amplificadores de Potencia de Alto Rendimiento en Transmisores Polares de Radiofrecuencia
Authors:   , Patiño Gomez Moises 
Published: May 2024

It may come as a surprise that in the era of wideband personal digital communications, commercial aviation is still using analog radio systems and uncomplicated digital communications, with no change in sight, at least in the next few years. This is mainly due to the enormous inertia imposed by the need for international coordination agreements for the adoption of any type of change, so that any new aeronautical communications system that goes ahead should at least be compatible with the traditional system that has been in use for the last few decades.

One such system is aeronautical radionavigation services, which are one of the main applications of radio frequency electronics below 1500 MHz. The need to find solutions that, while maintaining backward compatibility, allow improving their signal quality performance, while improving the energy footprint and reliability of their radio transmitters, leads to experimentation with amplification architectures such as the polar type addressed in this work. Based on this, some demonstrators have been implemented, using a polar architecture, for the radiofrequency power amplifier stages of some of the most relevant equipment traditionally used in aeronautical radionavigation systems, such as omnidirectional radio beacons, distance measuring equipment and ground based augmentation system.

The results obtained have been compared with others measured in radiofrequency power stages based on conventional topologies, and this has allowed to corroborate the advantage in terms not only of energy efficiency but also in linearity, which can provide polar amplifier architectures with respect to conventional systems, achieving energy efficiency figures that double that of conventional power amplifiers, maintaining the linearity figure of the amplified signal even higher in most of the cases analyzed.

On the other hand, and also related to aeronautical communications systems, new projects have recently been undertaken that aim to reach the global ranges provided by satellite communication systems, while maintaining compatibility with traditional communication systems in the band covering 118 MHz to 138 MHz. These services represent a new technology under development that aims to improve air traffic management, especially in remote and oceanic areas where terrestrial infrastructures cannot provide adequate coverage. One drawback is that it is not possible to obtain high gain antennas with high directivity in this frequency band with a size that allows them to be deployed on satellites. So achieving adequate signal levels at the transmitter while supporting high signal bandwidths (due to channel aggregation), relies heavily on the radiofrequency power amplifier. Therefore, it is essential that it has a high energy efficiency due to the limited electrical power capabilities present in these satellite platforms. For this task, among the possible options, it has been chosen the development of a demonstrator based on a polar amplification architecture, which aims to cover a high fractional bandwidth, maintaining energy efficiency and linearity figures that meet the requirements of these satellite communication platforms.

The use of this polar amplification technique in wide fractional bandwidth systems has been solved by employing a high efficiency class D radiofrequency power amplifier that uses some techniques to allow its operation as a high level amplitude modulator using wideband envelope signals. In addition, to feed this class-D power amplifier, it has been necessary to develop an envelope amplifier that covers the bandwidth required by the envelope of a multicarrier signal, and which must also provide a high power efficiency.

Finally, the demonstrator developed has been able to manage multicarrier signals of up to 10 MHz bandwidth with a level that reaches 100 W of output power, keeping the spurious components in the spectrum below 40 dB in relation to the amplified signal. These results inspire optimism regarding the integration of this technology in satellite communications services.

RESUMEN

Puede resultar sorprendente que en la era de las comunicaciones inalámbricas digitales personales de banda ancha, la aviación comercial siga utilizando sistemas de radio analógicos y comunicaciones digitales sencillas, sin que se vislumbre ningún cambio en los próximos años. Esto se debe fundamentalmente a la enorme inercia que impone la necesidad de acuerdos de coordinación internacional para la adopción de cualquier tipo de cambio, de forma que cualquier nuevo sistema de comunicaciones aeronáuticas que salga adelante debería ser, al menos, compatible con el sistema tradicional que se ha utilizado durante las últimas décadas.

Uno de estos sistemas son los servicios de radionavegación aeronáutica que son una de las principales aplicaciones de la electrónica de radiofrecuencia por debajo de los 1500 MHz. La necesidad de buscar soluciones que, manteniendo la compatibilidad hacia atrás, permitan mejorar sus prestaciones de calidad de la señal, a la vez que se mejora huella energética y fiabilidad de sus transmisores de señales de radio, lleva a la experimentación con arquitecturas de amplificación como las de tipo polar abordadas en este trabajo. En base a ello se han implementado unos demostradores, con arquitectura polar, para las etapas amplificadoras de potencia de radiofrecuencia de algunos de los equipos más relevantes utilizados tradicionalmente en los sistemas de radionavegación aeronáuticos, como son los radiofaros omnidireccionales, los equipos medidores de distancia y el sistema de aumentación basada en tierra.

Los resultados obtenidos han sido comparados con otros medidos en etapas de potencia de radiofrecuencia basadas en topologías convencionales, y esto ha permitido corroborar la ventaja en términos no sólo de rendimiento energético sino también de linealidad, que pueden proporcionar las arquitecturas polares de amplificación con respecto a los sistemas convencionales, consiguiendo cifras de rendimiento energético que doblan la de los amplificadores de potencia convencionales y manteniendo un nivel de linealidad de la señal amplificada incluso superior en la mayoría de los casos analizados.

Por otro lado, y también relacionado con los sistemas de comunicaciones aeronáuticos, recientemente se han emprendido nuevos proyectos que pretenden alcanzar las extensiones globales que proporcionan los sistemas de comunicación por satélite, manteniendo al mismo tiempo la compatibilidad con los sistemas de comunicación tradicionales en la banda que cubre desde los 118 MHz hasta los 138 MHz. Estos servicios constituyen una nueva tecnología en desarrollo que tiene el objetivo de mejorar la gestión del tráfico aéreo, especialmente en zonas remotas y oceánicas donde las infraestructuras terrestres no pueden proporcionar una cobertura adecuada. Un inconveniente es que no es posible conseguir antenas de alta ganancia con directividad elevada en esta banda de frecuencia con un tamaño que permita ser desplegadas en satélites. De esta forma, el hecho de conseguir los niveles adecuados de señal en el transmisor, soportando además un ancho de banda de señal elevado (debido a la agregación de canales), recae en gran medida sobre el amplificador de potencia de radiofrecuencia. Por ello, es fundamental que éste posea un alto rendimiento energético debido a las limitadas capacidades de potencia eléctrica presentes en estas plataformas. Para ello, dentro de las opciones posible, se ha optado por el desarrollo de un demostrador basado en una arquitectura polar de amplificación, que tiene por objetivo cubrir un elevado ancho de banda fraccional, mientras mantiene unas cifras de rendimiento energético y linealidad que satisfagan los requisitos de estas plataformas satelitales de comunicaciones.

El empleo de esta técnica de amplificación polar en sistemas de ancho de banda fraccional elevado se ha resuelto empleando un amplificador de potencia de RF de alto rendimiento clase D que recurre a una serie técnicas para permitir su funcionamiento como modulador de amplitud de alto nivel con señales de envolvente de banda ancha. Adicionalmente, para alimentar a este amplificador clase D, ha sido necesario desarrollar un amplificador de envolvente que cubra el ancho de banda creado por la envolvente de una señal multiportadora, y que también debe proporcionar un rendimiento energético elevado.

Finalmente, el demostrador desarrollado ha conseguido lidiar con señales multiportadoras de hasta 10 MHz de ancho de banda con potencias de salida máximas de 100 W manteniendo las componentes espurias en el espectro por debajo de los 40 dB con respecto a la señal amplificada. Ofreciendo así unos resultados que invitan al optimismo para la integración de esta tecnología en los servicios de comunicaciones por satélites.