En los ´ultimos a˜nos, los sistemas de comunicaciones m´oviles e inal´ambricos han expe-
rimentado un crecimiento excepcional, posicion´andose como elementos fundamentales en nuestra vida cotidiana. Sin embargo, la creciente demanda de mayor calidad de servicio y mayores tasas de transmisi´on propone nuevos desaf´ıos tecnol´ogicos, especialmente des-
de el punto de vista del dise˜no de componentes de radiofrecuencia (RF) y microondas,
dada la tendencia hacia la integraci´on de terminales capaces de funcionar en diferentes
bandas frecuenciales, con diferentes tipos de se˜nales, y que adem´as sean ligeros, tengan
un tama˜no adecuado y sean eficientes desde el punto de vista energ´etico.
La eficiencia energ´etica, anta˜no considerada como un aspecto secundario, ha pasado
a ser fundamental en los sistemas de comunicaciones m´oviles, debido a razones esencial-
mente econ´omicas y en los ´ultimos a˜nos tambi´en ecol´ogicas. Por ejemplo, la mayor parte
del coste de operaci´on de las estaciones base es debido al amplificador de potencia (PA)
del transmisor (ver figura 1.1) y peque˜nas mejoras en la eficiencia de ´este pueden lle-
var a importantes ahorros para las operadoras, as´ı como a una disminuci´on de la huella ecol´ogica. Es por ello que nuevos conceptos como green radio [9] empiezan a estar muy presentes tanto en el mundo acad´emico como en la industria.
Si pensamos en dispositivos m´oviles y port´atiles, la mejora de la eficiencia energ´etica va encaminada esencialmente hacia el ahorro en el consumo de las bater´ıas, un aspecto que
se torna fundamental en especial desde la aparici´on de los terminales m´oviles de ´ultima
generaci´on y smartphones. En ´estos, al igual que en las estaciones bases, la principal fuente de consumo es el PA, que suele trabajar con grandes niveles de back-off, y por tanto de
manera ineficiente, para poder operar con los diferentes tipos de se˜nales y est´andares.
Adem´as, este tipo de dispositivos van a sufrir tambi´en el efecto o la influencia del usuario y el entorno m´ovil, que va a afectar a la antena y que en determinadas ocasiones puede modificar substancialmente la impedancia de la misma, contribuyendo tambi´en a reducir
PA incluyendo feeders 50-80% Refrigeración 10-25% Procesado de señal (analógico y digital) 5-15% Power supply 5-10%
Figura 1.1: Consumo t´ıpico en estaciones base [1]. la eficiencia.
Los sistemas de primera y segunda generaci´on empleaban modulaciones de envolvente constante (con poca eficiencia espectral), que permit´ıan operar los PAs en zona de sa-
turaci´on manteniendo buenos valores de eficiencia sin degradar calidad de la se˜nal. Sin
embargo, los nuevos sistemas de comunicaciones 3G, 4G and beyond, emplean esquemas de modulaci´on m´as eficientes para proporcionar las tasas de datos y calidad de servicio
demandadas. Estas de modulaciones, como por ejemplo OFDM, est´an basados en se˜nales
de envolvente no constante, que no pueden ser amplificadas eficientemente utilizando las arquitecturas cl´asicas, y por lo tanto requieren grandes back-offs para mantener unos
niveles de linealidad en la se˜nal de salida aceptables. A todo esto hay que sumarle el
incremento en los anchos de banda de las se˜nales, as´ı como la posibilidad de funcio-
nar en distintas bandas frecuenciales y usando distintos tipos de se˜nales, lo que a˜nade
complejidad adicional al dise˜no de los front-ends de RF.
Otro de los factores que afectar´a a la eficiencia energ´etica en transmisores inal´ambricos
es el efecto de variaci´on de la impedancia de carga, como ya se ha comentado. El dise˜no
de los PAs se realiza habitualmente considerando una carga fija de 50 Ω. Sin embargo, en determinadas situaciones esta impedancia puede cambiar de valor y fluctuar como consecuencia de la interacci´on de la antena con el usuario y su entorno, lo que puede conducir a una reducci´on dram´atica de la eficiencia del PA. Adem´as de la eficiencia, la linealidad puede verse tambi´en seriamente comprometida ante dichas variaciones de la carga.
Para solventar, o de alguna manera mejorar estos problemas, hace ya unos cuantos
a˜nos surgi´o el concepto de las redes de adaptaci´on reconfigurables. Estos circuitos buscan
la transformaci´on de impedancias ´optima que permita una transmisi´on de potencia, con
de la reconfigurabilidad, esto es, que mediante alg´un mecanismo de control electr´onico y autom´atico, las propiedades de adaptaci´on de la red pueden cambiar, permiti´endole adaptarse a las condiciones del sistema.
Las caracter´ısticas deseables en este tipo de circuitos se pueden enumerar como: Bajas p´erdidas.
Banda ancha. Alta Linealidad.
Capaces de soportar elevados niveles de potencia. Elevada velocidad de adaptaci´on.
Bajo coste.
Tama˜no reducido.
Como es l´ogico, conseguir aunar todas estas caracter´ısticas deseables va a ser pr´acti- camente imposible, y como se ver´a, es habitual que algunos de los puntos fuertes de unas tecnolog´ıas sean los puntos d´ebiles o menos fuertes de otras y viceversa.
El objetivo final del uso de las redes de adaptaci´on reconfigurables en sistemas de
transmisi´on y/o recepci´on es la mejora de la eficiencia. En los ´ultimos a˜nos se ha estudia-
do y verificado su utilidad en diversos contextos que van desde la mejora de la eficiencia en algunas arquitecturas de transmisi´on, la capacidad para mejorar condiciones de desadap- taci´on en entornos variables, o la contribuci´on a la reducci´on de componentes y mejora de la eficiencia en sistemas multi-modo y/o multibanda. En esta tesis doctoral se van a
tratar varios aspectos relacionados con el dise˜no, caracterizaci´on y aplicaciones de este
tipo de dispositivos.