In this paper we present a new technique, which reduces

amplifier intermodulation. It is shown that the third order

intermodulation products generated by an amplifier can be

reduced by adding a new parallel branch which generates an

IMD(3) of the same amplitude and opposite polarity than the

main branch. This paper also shows that third order

intermodulation can be reduced by more than 30 dB in the

parallel amplifier using a Wilkinson type divider and an 180º

Hybrid combiner

Agüero San Emeterio, José María

Cabria de Juan, Lorena

Fernández Ibáñez, Tomás

García García, José Luis

Gómez Fernández, María del Carmen

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In this paper we present a new technique, which reduces
amplifier intermodulation. It is shown that the third order
intermodulation products generated by an amplifier can be
reduced by adding a new parallel branch which generates an
IMD(3) of the same amplitude and opposite polarity than the
main branch. This paper also shows that third order
intermodulation can be reduced by more than 30 dB in the
parallel amplifier using a Wilkinson type divider and an 180º
Hybrid combiner

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Un Nuevo Método para la Reducción de la Distorsión de Intermodulación deTercer OrdenJosé María Agüero San Emeterio, Lorena Cabria de Juan, Tomás Fernández Ibáñez,Carmen Gómez Fernández, José Luis García GarcíaDepartamento Ingeniería de Comunicaciones – Universidad de Cantabriae-mail: chema@dicom.unican.esABSTRACTIn this paper we present a new technique, which reducesamplifier intermodulation. It is shown that the third orderintermodulation products generated by an amplifier can bereduced by adding a new parallel branch which generates anIMD(3) of the same amplitude and opposite polarity than themain branch. This paper also shows that third orderintermodulation can be reduced by more than 30 dB in theparallel amplifier using a Wilkinson type divider and an 180ºHybrid combiner.1. INTRODUCCIÓNEl empleo de transmisores lineales se ha convertido en unanecesidad creciente en los sistemas de comunicaciones modernos,debido al empleo de técnicas multiportadora, por un lado y, porotro, al uso de modulaciones más eficientes. Además los serviciosmultimedia requieren anchos de banda muy grandes, por lo quese necesita un comportamiento lineal en banda ancha. A todo estohay que sumar que los equipos operados con baterías como es elcaso de los terminales móviles, requieren unos niveles deeficiencia bastante elevados. En este artículo, proponemos unnuevo método de linealización que permite minimizar ladistorsión de intermodulación de tercer orden (IMD(3)) paratransistores de efecto de campo (FET), añadiendo una nueva ramaparalela con un FET  que se encuentre adecuadamentepolarizado.2. ANÁLISIS TEÓRICOLa corriente de drenador de un FET puede aproximarse por undesarrollo en serie alrededor del punto de polarización en el quese está trabajando. Aunque la capacidad puerta-fuente (Cgs) y laresistencia drenador-fuente (gds) son fuentes significativas deintermodulación, para nuestro análisis se consideró que la nolinealidad dominante era la fuente de corriente de drenador (Id),además puesto que las no linealidades causadas por la variaciónen la tensión en puerta son las más influyentes, se puedeaproximar  la corriente de drenador por la siguiente expresión:3322130,3320,220,6121gmgmgmgVVgdgVVgdgVVgddvgvgvgvdVIdvdVIdvdVdIiggg(1)donde Id es la corriente de drenador de gran señal y vg e id sonrespectivamente, la tensión en puerta y la corriente en drenadorincrementales, alrededor del punto de polarización Id(Vg,0).Cuando se excita el amplificador con dos tonos a f1 y f2, se generadistorsión de intermodulación de tercer orden, en banda, a lasfrecuencias 2f1-f2 y 2f2-f1. Esta distorsión se debe principalmenteal tercer término en (1). En la Figura 1, se muestra lacaracterística I-V medida del transistor PHEMT de Agilent ATF-35143, así como las derivadas de su corriente de drenador (Id)con respecto a la tensión en puerta (Vg). La curva gm3 presenta unpico por debajo de la tensión de pinch-off (Vp) y un valle porencima de dicha tensión. De forma intuitiva, se puede deducirque para cancelar la IMD(3) tan sólo será necesario encontrar lospuntos de polarización adecuados que hagan que los transistoresde cada una de las dos ramas tengan una gm3 de igual magnitud ysigno opuesto. De esta forma, al ser la señal de entrada de lamisma amplitud, la distorsión de intermodulación generada porcada una de las dos ramas será de la misma amplitud, pero depolaridad opuesta, de forma que al sumar ambas contribuciones,estas se cancelen entre sí.Figura 1. Característica I-V del transistor PHEMT deAgilent, ATF-35143, y derivadas (Vds=3 vol).Además, el punto de polarización para la rama secundaria deberáser un punto en el que  gm sea pequeña, de forma que la gananciafinal del amplificador (con las dos ramas) no se vea apenasmodificada. Si gm es pequeña, la contribución de la ramasecundaria en la señal de salida a la frecuencia fundamental, esmínima y por tanto la ganancia del amplificador con las dosramas se mantiene igual que en el caso del amplificador sinmejora de la IMD(3).En la Figura 2 se puede ver el diagrama del circuito con las dosramas. Ambas presentan idéntica estructura y utilizan el transistorPHEMT de Agilent, ATF-35143, la diferencia entre ellas seencuentra en el  punto de polarización del transistor y en las redesde adaptación.Figura 2. Diagrama amplificador (Dos ramas)De acuerdo con  Figura 2, si la señal incidente en la puerta 1 delanillo híbrido circular (a1), es de igual amplitud y fase que laseñal incidente en la puerta 2 (a2), a las frecuencias 2f1-f2 y 2f2-f1,la señal de salida en la puerta 4 (b4)  para estas frecuencias seránula, cancelándose de esta forma la distorsión de intermodulaciónde tercer orden. Por tanto, fue necesario determinar el puntoadecuado de trabajo para la rama secundaria, de forma que seminimizase la distorsión de intermodulación de tercer orden. Estepunto, como habíamos intuído debía cumplir esencialmente doscondiciones:? Presentar un valor de gm3 de igual magnitud que elvalor de gm3 de la rama principal.? Presentar un valor de gm pequeño, que no influya en laganancia final del bloque amplificador.PHEMT 1 PHEMT 2gm1 109.6 (mS) 2.5 (mS)gm2 36.8 (mS/V) 21.1(mS/V2)gm3 -77.9  (mS/V3) 71.2  (mS/V3)Tabla 7.1 Valores de gm1, gm2  y gm3   para los puntos depolarización de tabajo.3. RESULTADOS OBTENIDOSPara comprobar la validez de nuestro diseño, excitamos nuestroamplificador con dos señales de igual amplitud (-15 dBm) yseparadas entre sí 1 MHz, y comparamos la respuesta frecuencialdel amplificador con una única rama, con la de nuestro diseñocon dos ramas. De forma gráfica puede observarse la mejora de ladistorsión de intermodulación de tercer orden en la Figura 3.También quedó demostrado en estas simulaciones, que estamejora era independiente de la potencia con la que se estabaexcitando el circuito.Figura 3. Espectro de la señal de salida.Con la rama secundaria añadida al amplificador  se consigue unamejora de 33 dB en la distorsión de intermodulación de tercerorden, reduciendo la ganancia final del amplificador enaproximadamente 2.75 dB (para Pin=-15 dBm). Esta reducción sedebe a que el  híbrido utilizado para combinar la potencia desalida, presenta un factor de acoplo de 3 dB. Puesto que a lafrecuencia fundamental se suma también la contribución de larama secundaria, la pérdida final en ganancia es algo menor deesos 3 dB, que pierde el combinador.4. CONCLUSIONESEn este artículo, se ha presentado un método capaz de reducir ladistorsión de intermodulación de tercer orden. El método estabasado en el hecho de que la distorsión de intermodulación detercer orden generada por un amplificador, puede ser cancelada (oal menos, disminuida en gran medida) añadiendo una nueva ramaen paralelo, que genere una IMD(3) de igual amplitud y polaridadopuesta. De esta forma al sumar ambas contribuciones estas secancelan entre sí. Se ha conseguido una mejora, en la IMD(3) deun amplificador de 33 dB, y como se ha demostrado,independientemente de la potencia de entrada, siempre que nosencontremos en la zona lineal.5. REFERENCIAS[1] J.A.García : “Control de la Distorsión No Lineal deIntermodulación sobre Dispositivos MESFETs/HEMTs deASGa”. Tesis Doctoral, Universidad de Cantabria, Santander,Enero 2000.[2] Stephen A. Maas : “How to Model IntermodulationDistorsion”. Dept. Of Electrical Engineering, University ofCalifornia, Los Angeles, 1991.[3] L. Cabria : “Caracterización  y modelado pequeña y granseñal de transistores de microondas incluyendointermodulación, para su utilización en sistemas decomunicaciones de banda ancha”. Proyecto Fin de Carrera(Universidad de Cantabria), 2001.[4] J.M.Agüero: “Estudio, caracterización y montaje de técnicasde linealización con transistores FET de microondas para suutilización en sistemas de comunicaciones conrequerimientos de baja intermodulación”. Proyecto Fin deCarrera (Universidad de Cantabria), 2001.

Un nuevo método para la reducción de la distorsión de intermodulación de tercer orden

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