amplificadores de potencia clase E en un transmisor desfasado asimétrico operando en la banda de HF, específicamente a 1.82 MHz que corresponde a la banda de transmisión de radio amateur conocida como la banda de los 160 metros.
Entre las ventajas de demostrar el funcionamiento del concepto básico del transmisor desfasado asimétrico a esta frecuencia, se pueden citar las siguientes:
• Es posible observar las formas de onda de voltaje en el drenador y de salida de los AP clase E utilizando un osciloscopio.
• Se puede controlar el ciclo de trabajo de los AP clase E con mayor precisión, en donde se alcanza la óptima operación para un ciclo de trabajo del 50%.
• Los AP pueden ser sintonizados utilizando capacitores variables comerciales observando las formas de onda instantáneamente.
• Los componentes del circuito tales como transistores, inductores, capacitores, etc., son de bajo costo lo cual facilita implementar varios experimentos intercambiando componentes.
• El circuito impreso se puede realizar sin necesidad de estrictas medidas de fabricación.
• Los AP clase E se comportan de forma casi ideal puesto que la capacitancia parásita de drenador CDS no excede la capacitancia paralela de drenador requerida para óptima operación.
• Para el AP clase E diseñado a 1.82 MHz se utiliza el transistor IRF510 el cual tiene una capacitancia parasita de drenador CD=80 pF y de acuerdo con la ecuación (43) la frecuencia máxima a la que se puede utilizar este transistor en un AP clase E con una resistencia de carga Ro=25 Ω es; fmax=(0.1836)/(2π·CD·Ro)=14.6 MHz.
Los prototipos de los APs clase E se fabricaron de forma idéntica a los presentados en el capítulo V, se utilizan las mismas metas de diseño, los mismos dispositivos (transistores MOSFETs IRF510), así como los parámetros de diseño utilizando (ecuaciones (40) a (47) que se muestran en la tabla IV. La red LC serie o filtro de salida de cada amplificador también es idéntica a la que se presenta en el capítulo V.
A frecuencias de UHF o mayores sería preferible utilizar líneas de transmisión para implementar el combinador asimétrico como se presenta en la figura 47, en donde una línea de transmisión de un cuarto de longitud de onda (90 grados eléctricos) tendría una longitud físicamente razonable de algunos centímetros dependiendo del substrato y la frecuencia especifica en esta banda. Sin embargo, a frecuencias bajas como en la banda de HF, una línea de transmisión de sólo 90° grados eléctricos tendría una longitud de varios metros, físicamente imposible de realizar.
Una solución para realizar el combinador asimétrico es utilizando redes equivalentes a líneas de transmisión diseñadas con elementos concentrados como capacitores e inductores. El proceso de diseño de dichas redes se presentó en el capítulo VI.
El combinador asimétrico con líneas de transmisión diseñado para el prototipo a 1.82 MHz se muestra en la figura 61. Estas líneas de transmisión son sustituidas por redes T diseñadas para representar las líneas de transmisión con sus respectivos parámetros de impedancia característica (Z0, Ω) y longitud eléctrica (en grados). Recordando que la impedancia de carga del sistema es de 12.5 Ω, las impedancias vistas por los AP cuando estos están en fase es de 25 Ω. Utilizando las ecuaciones (95) a (98) se pueden calcular las impedancias de las líneas de transmisión ideales del combinador asimétrico, como se muestra en la figura 61.
El valor de δ se toma igual a 17.4° puesto que fue la diferencia de longitudes eléctricas en entre las líneas del combinador asimétrico que presentó mejor eficiencia instantánea en función del voltaje de salida normalizado según se calculó en la parte teórica y como se muestra en la figura 58. Por lo tanto la línea de transmisión W1 tiene una longitud eléctrica de 164.9°, mientras que W2 tiene una longitud eléctrica de 130.1° como se muestra en la figura 61.
Figura 61. Combinador asimétrico con líneas de transmisión ideales.
Las líneas de transmisión ideales del combinador asimétrico de la figura 61, se reemplazan por sus respectivas redes T representadas con elementos concentrados tales como capacitores e inductores. Para el cálculo de los valores de los elementos que componen la red T se utilizan las ecuaciones (103) a (108) en donde las longitudes de las líneas de transmisión asimétricas W1 y W2 se suman directamente a las longitudes eléctricas de las líneas de un cuarto de longitud de onda puesto que sus impedancias son
iguales (25 Ω), por lo tanto se tiene un combinador asimétrico con líneas de transmisión ideales como se muestra en la figura 62, con W1=254.9° y W2=220.1° de longitud eléctrica respectivamente. El equivalente del combinador asimétrico utilizando redes T se muestra en la figura 63 para los componentes a la frecuencia fundamental de 1.82 MHz.
Figura 62. Suma de las longitudes eléctricas del combinador asimétrico con líneas de transmisión ideales para el prototipo de HF.
Figura 63. Combinador asimétrico con redes T para el prototipo de HF.
De igual forma se presenta el diagrama esquemático, figura 64, utilizado para la simulación del sistema desfasado asimétrico utilizando redes T para el combinador y el
modelo del transistor IRF510 que es parte de la biblioteca de transistores en el simulador ADS.
Además, se muestran los valores de los componentes calculados para los AP clase E incluyendo sus redes LC serie de salida, el inductor de choque de RF, y los valores de los componentes de las redes T equivalentes a líneas de transmisión W1 y W2 de la figura 62.
Los resultados de la simulación del sistema desfasado asimétrico ideal que se muestra en la figura 58 coinciden a los obtenidos por la teoría. Sin embargo, cuando se utiliza un modelo de transistor como el de la figura 64 la eficiencia del sistema en función del voltaje de salida normalizado es menor debido a que la simulación involucra un AP clase E no ideal puesto que se utiliza el modelo del transistor IRF510. No obstante, la eficiencia es superior al 82% para casi todo el rango de voltaje de salida, presentando excelente desempeño en eficiencia como se muestra en la figura 65, recordando que δ=17.4°.
La variación de potencia de salida en función de la diferencia de fase de la señal de entra al los AP1 y 2 respectivamente va desde la potencia máxima de 27.5 W hasta aproximadamente cero como se muestra en la figura 66. De esta forma se demuestra que la técnica de combinación asimétrica para amplificadores de potencia clase E puede variar la potencia de salida para obtener buen rango dinámico y así poder aplicar el sistema para señales de amplitud modulada.
Figura 66. Potencia de salida en función de la diferencia de fase de las señales de entrada a los AP clase E.
Los resultados de la simulación demuestran que la técnica de combinación asimétrica de dos AP clase E operando en sistemas desfasados alcanza excelente desempeño en cuanto a eficiencia y variación de potencia de salida en función de la diferencia de fase de las señales de entrada a los AP. De esta forma se demuestra que la técnica es potencialmente útil para aplicarla a un par de AP clase E. En la figura 67 se compara la eficiencia obtenida mediante la combinación asimétrica y del sistema desfasado tipo Chireix convencional que utiliza AP clase B ideales. En donde claramente se observa el incremento en la eficiencia a pesar de no utilizar AP clase E ideales. De igual forma se resaltan los beneficios de utilizar esta nueva técnica en contraste con un AP de potencia clase B ideal simple en el cual la eficiencia disminuye en función del voltaje de salida de forma lineal obteniendo eficiencias muy bajas para bajas amplitudes del voltaje de salida.
Figura 67. Comparación de las eficiencias del sistema desfasado convencional, un AP clase E y B individual y la nueva técnica asimétrica, δ=17.4°.