The design and development of a high efficiency and linear power amplifier for radio repeaters

In wireless communication systems, amplifiers play a critical role in the receiving and transmitting sections. In this thesis, the design, development, and testing of a high-efficiency RF power amplifier for the transmission section is presented. The amplifier is intended for radio repeater applications and was developed at Radio Activity, a company specializing in professional radio communication systems. The amplifier was required to deliver a minimum output power of 150 watts, driven by a typical Continuous Wave (CW) input signal, and to operate across the UHF frequency band of 450--527 MHz. The amplifier architecture was based on a Class AB configuration, chosen to balance linearity and efficiency, with a minimum expected efficiency $50 \%$ in $52 dBm$ output power. A part of the design was the incorporation of digital pre-distortion (DPD) through DSP techniques to ensure adequate linearization under real-world modulation schemes. The output stage utilized the BLF984P transistor, a high-performance LDMOS device suitable for UHF operation and capable of supporting the required output power. The project followed a complete RF engineering development process, starting from the analysis of system-level requirements, progressing through schematic and block diagram definition, circuit design, providing layout, and component selection and have the prototype for test. System-level simulations were performed to assess performance trade-offs, particularly in terms of gain, efficiency, linearity, and thermal behavior. Prototype evaluation involved laboratory testing for RF performance, including output power, gain flatness, efficiency, spectral purity, and thermal stability. Based on test outcomes, design optimizations were applied to refine the circuit and improve performance.

Nei sistemi di comunicazione wireless, gli amplificatori svolgono un ruolo critico sia nelle sezioni di ricezione che in quelle di trasmissione. In questa tesi viene presentato il design, lo sviluppo e il collaudo di un amplificatore di potenza RF ad alta efficienza per la sezione di trasmissione. L'amplificatore è destinato ad applicazioni per ripetitori radio ed è stato sviluppato presso Radio Activity, azienda specializzata in sistemi di radiocomunicazione professionale. All'amplificatore è stato richiesto di erogare una potenza di uscita minima di 150 watt, pilotata da un tipico segnale di ingresso in onda continua (CW), e di operare nella banda di frequenza UHF 450–527 MHz. L'architettura dell'amplificatore si basa su una configurazione in Classe AB, scelta per bilanciare linearità ed efficienza, con un'efficienza minima prevista del 50 $\% $ a una potenza di uscita di 52 dBm. Parte integrante del progetto è stata l'integrazione della pre-distorsione digitale (DPD) attraverso tecniche DSP, al fine di garantire un'adeguata linearizzazione con schemi di modulazione reali. Lo stadio di uscita utilizza il transistore BLF984P, un dispositivo LDMOS ad alte prestazioni adatto al funzionamento in UHF e capace di supportare la potenza di uscita richiesta. Il progetto ha seguito un processo completo di ingegneria RF: partendo dall'analisi dei requisiti a livello di sistema, è progredito attraverso la definizione dello schema elettrico e del diagramma a blocchi, la progettazione del circuito, la realizzazione del layout, la selezione dei componenti, fino alla realizzazione del prototipo per i test. Sono state effettuate simulazioni a livello di sistema per valutare i compromessi prestazionali (trade-offs), in particolare in termini di guadagno, efficienza, linearità e comportamento termico. La valutazione del prototipo ha comportato test di laboratorio per le prestazioni RF, inclusi la potenza di uscita, l'appiattimento del guadagno (gain flatness), l'efficienza, la purezza spettrale e la stabilità termica. Sulla base dei risultati dei test, sono state applicate ottimizzazioni progettuali per affinare il circuito e migliorarne le prestazioni.