I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S)   Vo l.  13 ,   No .   3 ,  N o v e m b er   20 24 ,   p p .   6 2 5 ~ 6 4 2   I SS N:  2089 - 4864 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /i j r es . v 1 3 . i 3 . pp 6 2 5 - 642          625       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij r es.ia esco r e. co m   An activ e  tw o - sta g e clas s - J   po w er a m plifi er d esig n f o r s m a rt   g rid’s 5G  w ireless  net w o rk s       Na g is et t y   Sridh a r,   Chin na iy a n Sent hil pa ri,   M a rdeni R o s lee ,   Wo ng   H in Yo ng   F a c u l t y   o f   En g i n e e r i n g ,   M u l t i me d i a   U n i v e r si t y ,   C y b e r j a y a ,   M a l a y si a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   3 0 ,   2 0 2 3   R ev i s ed   Ma y   1 7 ,   2 0 2 4   A cc ep ted   J u n   1 0 ,   2 0 2 4       T h e   w irele ss   c o m m u n ica ti o n   n e t w o rk s in   th e   s m a rt  g rid ’s ad v a n c e d   m e terin g   in f ra stru c tu re   (A M I)  a p p li c a ti o n s   n e e d   5 G   tec h n o l o g y   to   su p p o rt   larg e   d a ta   tran sm issio n   e ff icie n t l y .   A s  th e   5 G   w irele ss   c o m m u n ica ti o n   n e tw o rk ’s   o v e ra ll   b a n d w id th   (BW )   a n d   e ff i c ien c y   d e p e n d   o n   it s  p o w e r  a m p li f ier   (P A ) ,  in   th is  w o rk ,   a   t w o - sta g e   c las s - J   p o w e r  a m p li f i e r’s  d e sig n   m e th o d o lo g y   th a t  o p e ra tes   a t  3 . 5   G Hz   c e n tre  f re q u e n c y   b y   u ti li z in g   t h e   CG H4 0 0 1 0 F   m o d e l   g a ll iu m   n it rid e   ( G a N )   tran sisto r  is  p re se n ted .   T h e   p r o p o se d   d e sig n   m e th o d o lo g y   in v o lv e s  p ro p e r  d e sig n in g   o f   in p u t,   o u t p u t,   a n d   in ters tag e   m a tch in g   n e tw o rk s  to   a c h iev e   c las s - J  o p e ra ti o n   w it h   im p ro v e d   p o w e r  g a in   o v e r  d e sire d   BW   u sin g   th e   a d v a n c e d   d e sig n   sy ste m   ( ADS )   e lec tro n ic  d e sig n   a u to m a ti o n   ( EDA )   to o l  a n d   e st im a ti n g   it s  in teg r a ti o n   f e a sib il it y   th ro u g h   a c ti v e   e l e m e n t - b a se d   d e sig n   a p p ro a c h   u sin g   th e   M e n to r  G ra p h ics   EDA   to o l.   T h e   p ro p o se d   P A   p ro v id e s  5 4 %   d ra in   e f f icie n c y   ( D.E ) ,   5 3 %   p o w e r  a d d e d   e ff ici e n c y   (P A E)  w it h   a   sm a ll   sig n a l  g a in   o f   2 7   d B  a t  3 . 5   G Hz   a n d   4 1   d Bm   p o w e r  o u tp u t  w it h   2 1   d B  o f   im p ro v e d   p o w e r  g a in   a c ro ss   a   B W   o f   a ro u n d   4 0 0   M Hz   u sin g   2 8   V   p o w e r  su p p ly   in to   5 0   Ω   l o a d .   By   re p lac in g   th e   tw o - sta g e   P A ' s  p a ss iv e   e le m e n ts  w it h   a c ti v e   e le m e n ts ,   it s  lay o u t  s ize   is  e sti m a ted   to   b e   ( 1 5 . 5 × 2 9 . 2 )  μm 2 .   T h e   re su lt s  o f   th e   p ro p o se d   P A   e x h ib it   it s  i n teg ra ti o n   f e a sib il it y   a n d   su it a b il it y   f o r  th e   s m a rt  g rid ’s 5 G   w irele ss   n e t w o rk s.   K ey w o r d s :   5G   A cti v e  i n d u cto r   Ma tch i n g   n et w o r k s   P o w er   a m p l if ier   S m ar t  g r id   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ma r d en i Ro s lee   Facu lt y   o f   E n g i n ee r i n g ,   M u lti m ed ia  Un i v er s i t y   6 3 1 0 0   C y b er j a y a,   Selan g o r ,   Ma la y s ia   E m ail:  m ar d en i.r o s lee @ m m u . ed u . m y       1.   I NT RO D UCT I O N   W ith   th e  r e v o lu tio n   in   w ir ele s s   co m m u n icatio n   tech n o lo g y ,   alo n g   w i th   t h e  " m o b ile  co m m u n ica tio n   s ec to r , "  th e  " p o w er   s ec to r "   al s o   h as  a  s ig n if ica n t  n ee d   f o r   u p co m i n g   5 G  tech n o lo g y   [ 1 ] ,   esp ec iall y   f o r   th e  s m ar t  g r id 's  w ir eless   co m m u n icatio n s ,   d u e  to   th e  e n o r m o u s   r is e  in   th e  d ata  to   b e  tr an s m itt ed .   T h e  s m ar t  g r id   in cl u d es  co m m u n icatio n   tech n o lo g ies   [ 2 ]   an d   [ 3 ]   th at  o f f er   b id ir ec tio n al  d ata  tr an s f er   in   co n tr a s t  to   t h e   co n v e n tio n al   p o w er   g r id   f o r   m o r e   r eliab le  an d   e f f icie n t  e n er g y   tr an s m i s s io n   a n d   d is tr ib u tio n .   T h e  ad v an ce d   m eter i n g   in f r astr u ct u r e  ( A MI ) / s m ar t  m eter i n g   ap p licatio n s   [ 4 ]   p lay   a  cr u cia l  r o le   b y   en ab lin g   t w o - w a y   co m m u n icatio n   f o r   tr an s m it tin g   a  lar g e  a m o u n t  o f   d ata  b et wee n   th e  m eter   d ata  m a n a g e m e n t  s y s te m   ( MD M S)   o f   th e  o p er atio n   ce n tr e  an d   s m ar t  m e ter s   in   th e  s m ar t  g r id .   T o   o v er co m e  th e  p r ac tical  li m itatio n   in   th e   ce n tr alize d   co m m u n icati o n   ar ch itect u r e  o f   AM I ,   s u c h   as  co n g e s tio n   o r   lo s s   o f   d ata  d u e  to   th e  r ap id   in cr ea s e  in   t h e  s m ar t  m eter s   co u n t  an d   th eir   f r eq u en t  r ea d in g s ,   a  d is t r ib u ted   ar ch itect u r e  [ 5 ]   ca n   b e  u s ed ,   w h er ein   th e   s m ar t  m eter s   d ata  co llected   u s i n g   d ata  co n ce n tr ato r s   w i ll   b e   tr an s m it ted   to   th e   MD M S  o f   th e  d i s tr ib u ted   o p er atio n   ce n tr e  u s i n g   a  s u itab le  co m m u n icatio n   tec h n o lo g y ,   w h ich   i m p r o v e s   t h e  co m m u n icatio n   ar ch itect u r e's e f f icie n c y   a n d   c o s t - e f f ec tiv e n e s s   [ 6 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 486 4   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  13 ,  No .   3 ,  No v e m b er   20 24 :  625 - 642   626   T h e r e f o r e ,   b as e d   o n   th e   c o m m u n i c at i o n   r e q u i r em en ts   [ 7 ]   an d   t h e  n e c e s s ity   o f   5 G   t ec h n o l o g y   in   s m a r t  g r i d   [ 8 ] ,   th e   ex is t in g   ( 3 G / 4 G)   w i r e l es s   c o m m u n i c at i o n   n e tw o r k s   u s e d   f o r   t r an s m it t in g   th e   d a t a   f r o m   d a ta  c o n c en t r at o r s   t o   th e   d is t r i b u t e d   o p e r a t i o n   c en t r e   ca n   b e   r e p l ac e d   w ith   th e   5 G   w i r el e s s   c o m m u n i c at i o n   n etw o r k s .   T h e   d e p l o y m en t   o f   5 G  t e ch n o lo g y   w i l l  o f f e r   th e  r e l i a b i l ity   an d   d e s i r a b le   b an d w i d th   ( B W )   t o   s u p p o r t   l a r g e  d a t a  t r a n s f e r   in   th e   A M I   a p p l i ca t io n s   o f   th e   s m a r t   g r i d .   T h e   en e r g y   c o n s u m p t i o n   an d   B W   o f   th e   5 G   w i r e le s s   c o m m u n i c at i o n   n etw o r k s   a r e   tw o   im p o r t an t   f a c t o r s   t o   c o n s id e r   w h en   d e p l o y in g   th e m   in   A M I / s m ar t   m e t e r i n g   a p p l i c a t i o n s .   I t   i s   w e l l   k n o w n   t h at   a   w i r e le s s   c o m m u n i c a t i o n   n e tw o r k ' s   B W   a n d   t o t al   e n e r g y   c o n s u m p t i o n   a r e  s ig n if i c an t ly   in f lu en c e d   b y   it s   p o w e r   am p lif i e r   ( P A ) .   T h e r ef o r e ,   c h o o s in g   a   PA   th a t   c o m p li es   w it h   th e   s t an d a r d s   o f   5 G  w ir e l es s   c o m m u n i c a ti o n   n etw o r k s   u t i li z e d   in   th e  s m a r t   g r i d ' s   A M I   is   c r u ci a l .   A   v a r i e ty   o f   l in e a r   m o d e  PA s ,   l ik e   c la s s - A ,   c la s s - B ,   a n d   c l as s - A B   w i th   l o w e r   ef f i ci e n cy ,   an d   s w it ch in g   PA s ,   w h i ch   d e liv e r   h i g h er   e f f i ci en cy   w ith   l o w e r   l in e a r i t y ,   l ik e   c la s s - E   an d   c l ass - F   d es c r ib e d   i n   t h e   ex is t in g   m et h o d s   [ 9 ] – [ 1 5 ]   a r e   r e s t r i ct e d   t o   n a r r o w   B W   an d   n o t   a p p r o p r i a t e   f o r   w i d e b an d   a p p l ic a t i o n s .   H o w ev e r ,   th e  c l as s - J   P A   [ 1 6 ]   h as   d em o n s t r a t e d   i t s   a b i l ity   t o   p r o v i d e   g o o d   ef f i ci e n cy   an d   lin e a r i ty   ac r o s s   a   b r o a d   B W .   T h er ef o r e,   th is   p ap er   p r o p o s es  a  d esig n   m et h o d o lo g y   f o r   t w o - s ta g e  clas s - J   P A   t h at  o p er ates  at    3 . 5   GHz   ce n tr e  f r eq u en c y   b y   u tili zi n g   th e  C GH4 0 0 1 0 F  m o d el  g alliu m   n itrid e  ( GaN )   tr an s i s to r s ,   w h ic h   is   s u itab le  f o r   t h e  5 G  w ir eles s   co m m u n icatio n   n et w o r k s   in   th e   s m ar t  g r id ’ s   A MI   ap p licatio n s .   T h e  d esig n   m o d el  an d   id eo lo g y   o f   t h e  p r o p o s ed   t w o - s ta g e  P A   f o cu s   m ai n l y   o n   p r o d u cin g   o u tp u t  p o w er   w it h   i m p r o v ed   p o w er   g ain   a lo n g   w it h   lin ea r it y   a n d   ac h iev in g   i n teg r at io n   f ea s ib ilit y .   T h e  p r o p o s ed   d esig n   m et h o d o lo g y   i n v o l v es t h e   f o llo w in g   k e y   s t ep s :  c h o o s in g   th e  tr an s is to r   an d   its   tech n o lo g y ,   a n al y z in g   its   lo ad   lin e  i m p ed an ce s   an d   s tab ilit y ,   v a lid atin g   th e  d r iv er   an d   p o w er   s tag e s   u s i n g   lo ad   p u ll  an d   s p ec tr u m   an al y s i s ,   v alid ati n g   t h e  f u ll  s tag e  P A   d esi g n   u s in g   th e  i n p u t  m atc h i n g   n et w o r k   ( ( I MN ) ,   o u tp u t  m a tch i n g   n et w o r k   ( O MN )   an d   in ter s ta g e   m atc h in g   n e t w o r k   ( I SMN)   an d   esti m atin g   it s   in te g r ati o n   f ea s ib ili t y .   Fo llo w i n g   it s   ef f ec ti v e  d esig n   m et h o d o lo g y ,   th e  ad v a n ce d   d esig n   s y s te m   ( ADS)   an d   th e  m e n to r   g r ap h ic s   elec tr o n ic   d esig n   a u to m at io n   ( E DA )   to o ls   w er e  u s ed   to   r u n   s ch e m atic  a n d   la y o u t si m u lati o n s   o f   t h e  p r o p o s ed   tw o - s ta g e  P A   r esp ec tiv el y .     T h is   m an u s cr ip t  is   o r g a n ized   i n to   th e  f o llo w i n g   s ec tio n s .   Se ctio n   1   in v o l v es  an   o v er v ie w   o f   A MI   i n   th e  5 G  s m ar t  g r id ,   th e  s co p e  an d   o b j ec t iv e  o f   th is   m a n u s cr ip t,  a  b r ief   m et h o d o lo g y   o f   th e  p r o p o s ed   P A ,   an d   its   ex p ec ted   o u tco m es.  Sect io n   2   d escr ib es  th e  ex is tin g   w o r k s   o n   class - J   P A s   d es ig n ed   f o r   v ar io u s   ap p licatio n s   w it h   th e  p r o s   an d   co n s   o f   t h e  r esp ec tiv e  a u t h o r s .   Sectio n   3   ex p lain s   t h e  p r o p o s ed   t w o - s ta g e  P A’ s   d esig n   m et h o d o lo g y   in   d etail  u s in g   a  f lo w   ch ar t.  I n   s ec ti o n   4 ,   th e  r esu lts   o f   s i m u late d   tw o - s ta g e  P A   ar e  p r esen ted   an d   co m p ar ed   w ith   o th er   P A   d esig n s .   T h e  p ap er ' s   co n clu s io n   is   s u m m ar ized   in   s ec tio n   5   b ased   o n   th e  s i m u latio n   r esu l ts   o b t ain ed .       2.   L I T E R AT U RE   R E VI E W   Sin ce   t h e  in tr o d u ctio n   o f   clas s - J   m o d e  P A   b y   W r ig h t  et  a l.   [ 1 6 ] ,   r esear ch er s   h av e  r ep o r t ed   s ev er al  p r ev io u s   s t u d ies   d e m o n s tr ati n g   its   p o ten tial  to   o b tain   g o o d   ef f icie n c y   a n d   lin ea r i t y   a cr o s s   a  b r o ad   B W .   Var io u s   class - J   P A   d esig n s   w er e  r ev ie w ed   an d   an al y ze d   to   v er if y   t h eir   s u itab ilit y   f o r   u p co m in g   5 G  w ir eles s   n et w o r k s   u ti lized   in   t h e  A MI   ap p licatio n s   f o r   t h e  s m ar t  g r id .   Am o n g   th e s e,   R ez ae i  et  a l.   [ 1 7 ]   p r esen ted   a  class - J   P A   d esi g n   u s i n g   GaN   tech n o lo g y   b y   co n s id er i n g   it s   OM N  e le m e n t   lo s s e s .   Ho wev er ,   it  h as  a   lo w er   p o w er   o u tp u t  ( P out )   an d   e f f ici en c y   co m p ar ed   to   d is cr ete - t y p e  P A s   d u e  to   lo w   Q   an d   d e v ice  tec h n o lo g ical  co n s tr ain ts .   Do n g   et  a l.   [ 1 8 ]   p r o p o s ed   a  class - J   P A   d esig n   b ased   o n   co m p le m e n tar y   m eta l  o x id e   s e m ico n d u cto r   ( C MO S)  tech n o lo g y   w it h   its   d esi g n   eq u at io n s   u p d ated   b ased   o n   th e  i m p ac t  o f   th r es h o ld   v o ltag e  to   an al y ze   s ec o n d   h ar m o n ic  lo s s e s .   Ho w ev er ,   d u e  t o   lo w er   b r ea k d o w n   v o ltag e   r estrictio n ,   C MO S - s tak ed   FET   d esig n   m u s t  b e  e m p lo y ed   f o r   P A   d esig n .   In   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ]   d em o n s tr ated   a  c la ss - J   P A   w it h   t h e   r ea lizatio n   o f   p r o p er   h alf - r ec ti f ied   s in   w a v ef o r m s   at  th e  tr an s is to r   g ate  to   i m p r o v e  its   d r ain   ef f icie n c y   ( D. E )   an d   P out .   A lth o u g h   th e s e  m e th o d s   ar e  u s ef u l,  th i s   P A' s   d esi g n   an d   i m p le m e n tatio n   ar e  co m p licated   d u e  to   th e   n ee d   f o r   ad d itio n al   cir cu itr y   f o r   h ig h er - o r d er   f ilter s .   Ha n n a  et   a l.   [ 2 1 ]   p r esen ted   a  t w o - s tag e   class - J   P A   d esig n   w it h   2 8   GHz   ce n tr e  f r eq u en c y   u s in g   C MO S  tech n o lo g y ,   w h ich   ac h ie v es  g o o d   ef f icie n c y   o v er   en h an ce d   B W   an d   r ev ea ls   it s   s u itab ilit y   f o r   w id eb an d   5 G  w ir eles s   co m m u n ic atio n   ap p licatio n s .   L i u   et  a l.   [ 2 2 ]   p r o p o s ed   a  5   G Hz  class - J   P A   d esig n   s u itab le  f o r   W L AN  8 0 2 . 1 1 ax   ap p licati o n s   u s in g   GaN   tech n o lo g y ,   d e m o n s tr ati n g   p r o m is in g   p er f o r m a n ce   an d   co m m er cial  v al u e.   Ho w e v e r ,   its   p er f o r m a n ce   ca n   b e  f u r th er   e n h a n ce d   if   d i g ital  p r e  d is to r tio n   ( DP D)   is   e m p lo y ed .   Gao   et  a l.   [ 2 3 ]   p r o p o s ed   a  class - J   P A   f o r   th e  5 GHz   f r eq u e n c y   b an d   b y   i n tr o d u cin g   a  d y n a m ic   m atch i n g   n et w o r k   ( M. N)   to   f o llo w   it s   o p ti m u m   i m p ed an ce   tr aj ec to r y   f o r   ac h iev in g   m a x i m u m   e f f icien c y   in   th e  b r o ad b an d   an d   th e  P out .   Ho w e v e r ,   th is   d y n a m ic  M. N  ca n   b e  d esig n e d   u s in g   ac ti v e  in d u c to r s   ( A I )   to   en h an ce   it s   tu n ab ilit y .   A liza d eh   et  a l.   [ 2 4 ]   also   p r o p o s ed   an   ac tiv e  lo ad   m o d u latio n   tech n iq u e  f o r   an   X - b an d   class - J   P A   d esig n   to   i m p r o v e  its   f ea s ib ilit y   f o r   in te g r atio n   b y   eli m i n ati n g   t h e   f ilter   an d   d o u b ler   n et w o r k s   u s ed   in   t h e  co n v en t io n al  clas s - J 2   P A .   I t  ca n   b e  n o ticed   th at  th er e  i s   a  co m p r o m is e  in   B W   ac h ie v e m e n t  as  t h is   w o r k   is   f o cu s ed   o n l y   o n   i m p r o v in g   e f f icie n c y .   Ho w e v er ,   i m p le m e n ti n g   a  p h ase  s h i f ter   n et w o r k   w it h   an   ex t en d ed   B W   ca n   en h an ce   th is   P A's  B W .   Z h an g   et   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       A n   a ctive   tw o - s ta g e  cla s s - J  p o w er a mp lifi er d esig n   fo r   s ma r t   g r id ’ s   5 G  w ir eles s   …   ( N a g is e tty  S r id h a r )   627   a l.   [ 2 5 ]   p r o p o s ed   a  tw o - s ta g e  class - J   P A   d esi g n   w ith   a  s tak ed   C MO S  s tr u ct u r e  t o   ac h iev e  b r o ad   B W   to   i m p le m en t  i n   X - b an d .   A lt h o u g h   t h is   P A   h a s   ac h ie v ed   en h a n ce d   B W ,   a  s tak ed   s tr u ctu r e  m u s t  b e  em p lo y ed   to   i m p r o v e  th e  P out   d u e  to   t h e  l o w er   b r ea k d o w n   v o ltag e  o f   C MO S  tec h n o lo g y .   Nasr i  et  a l.   [ 2 6 ]   p r o p o s ed   a   b r o ad b an d   class - J   P A   u s i n g   th e   Do h er t y   s tr u ct u r e  w ith   t w o   C GH4 0 0 1 0 F  tr an s is to r s   a n d   ac h iev ed   a  s at u r ated   p o w er   o u tp u t   o f   4 3 – 4 4 . 2   d B m   o v er   b r o ad b an d .   Ho w e v er ,   th is   P A   d e s ig n   ca n   b e  m ad e  f ea s ib le  f o r   in te g r atio n   to   r ed u ce   its   ch ip   ar ea   u s i n g   an   ac tiv e  ele m e n t - b ased   d esig n   ap p r o ac h .   B ased   o n   th is   r e v ie w ,   t h e  e x is tin g   clas s - J   P A   d es ig n s   r ep o r ted   to   d ate  p r o v ed   th at  t h e y   ca n   p r o v id e  a   p o ten tial  s o l u tio n   f o r   t h e  ef f i cien c y ,   lin ea r it y ,   a n d   B W   tr ad e - o f f .   Ho w ev er ,   t h ese  cla s s - J   m o d e  P As  w er e   d esig n ed   f o r   d if f er en t  ap p licatio n s   w it h   d if f er en t  tec h n o lo g ies  ( GaN   o r   C MO S)  u s in g   p ass i v e  ele m e n ts   li k e   s p ir al  in d u cto r s   o r   tr an s m i s s io n / m icr o s tr ip   lin e s   to   r ea lize  th eir   M.N .   T h e  tr an s m is s io n   li n es  o n   an   i n te g r ated   cir cu it  tak e  u p   a  lo t  o f   s p ac e  d esp ite  th eir   s i m p le  la y o u t  an d   d esig n ,   d ir ec tl y   af f ec tin g   th e  cir cu it’ s   s ize  an d   p r ice.   On   th e  o th er   h an d ,   s p ir a l  in d u cto r s   h a v e  li m itatio n s   li k e  b u lk y   s ize,   f i x ed   in d u c tan ce   v alu e  w i th   lo w   Q - f ac to r ,   te m p er atu r e  s en s iti v i t y   at  h ig h er   f r eq u e n cies,  an d   in co m p atib ilit y   w it h   co n v e n tio n al  C MO S   tech n o lo g y   [ 2 7 ] .   T o   o v er co m e   th ese  d is ad v an ta g e s ,   th e  p as s iv e  l u m p ed /s p ir al  i n d u cto r s   ca n   b e  r ep lace d   w ith   A I   [ 2 8 ] ,   w h ich   h a v e  m o r e  ad v an ta g es  l ik e  in d u cti v e  tu n i n g ,   b etter   Q - f ac to r ,   co m p ati b ilit y   w i th   C MO S   tech n o lo g y ,   an d   ch ip   s ize  r ed u ctio n .   Var io u s   w ir eles s   ap p licatio n   cir cu its   s u ch   as   v o ltag e - co n tr o lled   o s cillato r s   ( VC O) ,   lo w   n o is e  a m p li f ier s   ( L N A ) ,   f i lter s ,   an d   M. Ns  h av e  b ee n   i m p le m e n ted   u s i n g   A I s   [ 2 9 ] - [ 3 2 ]   to   ac h iev e  t u n ab ilit y   an d   s a v e   th e  ch ip   ar ea   an d   co s t.   T h er ef o r e,   th e  n o v elt y   o f   t h is   w o r k   in v o l v es  th e  d esi g n   o f   a  t w o - st ag e  cla s s - J   P A   an d   an   A I   th at  ac h ie v es  t u n ab le   in d u cta n ce   an d   Q - f ac to r   f o r   r ep lacin g   t h e  p ass iv e   lu m p ed   in d u cto r   o f   its   o u tp u t  m atc h in g   n e t w o r k   ( OM N) .   I t  also   in v o l v es  est i m a tin g   t h e  p r o p o s ed   P A ' s   c h ip   ar ea   u s in g   an   ac tiv e  ele m e n t - b ased   d esig n   ap p r o ac h   to   ch ec k   its   f ea s ib il it y   f o r   in teg r atio n   an d   s u itab ilit y   f o r   s m ar t  g r id   A MI ’ s   5 G  w ir eles s   co m m u n icatio n   n et w o r k s .       3.   T WO - ST AG E   P O W E R  AM P L I F I E R  D E SI G N  M E T H OD     A   t w o - s tag e  P A   is   p r o p o s ed   w it h   a  cl a s s - J   m o d e  p o w er   s ta g e  d r iv e n   b y   a  d r iv er   s ta g e  to   ac h iev e  th e   d esire d   p er f o r m a n ce   m etr ics  t h at  s a tis f y   th e   5 G  w ir eles s   co m m u n icatio n   n et w o r k ’ s   r eq u i r e m en t s   i n   A MI   o f   th e  s m ar t  g r id .   As  t h e   s elec t io n   o f   o p er atin g   f r e q u en c y   i s   an   i m p o r tan t  co n s id er atio n   in   t h e  P A   d e s ig n ,   v ar io u s   f r eq u e n c y   b a n d s   s u c h   as  L T E   an d   5 G  n e w   r ad io   ( NR )   [ 3 3 ] ,   [ 3 4 ]   w er e  an al y ze d   f o r   th eir   ap p r o p r iate   s elec tio n .   B ased   o n   th e  an al y s is ,   a  n e w   s u b - 6   GHz   f r eq u en c y   b an d   w ith   3 . 5   GHz   ce n tr e  f r eq u en c y ,   ca lled   citizen   b r o ad b an d   r ad i o   s er v ice  ( C B R S)  [ 3 5 ] ,   w a s   ch o s en   as  it  ca n   b e  ap p r o p r iat e  f o r   5 G  w ir ele s s   co m m u n icatio n s   o f   A MI   i n   t h e  s m ar t   g r id .   T h er ef o r e,   th e  p r o p o s ed   P A   w a s   i n itiall y   d es ig n ed   w it h   a  3 . 5   GHz   o p er atin g   f r eq u e n c y ,   an d   its   s i m u latio n s   w er e  p er f o r m ed   w it h   th e  ADS  E D A   to o l  u s in g   a  10   W   GaN   tr an s i s to r   m o d el  ( C GH4 0 0 1 0 F )   f r o m   C R E E .   T h e  m ai n   p u r p o s e  o f   ch o o s in g   a  t w o - s ta g e  P A  to p o lo g y   is   to   g et   th e  d esire d   P out   b y   f ee d i n g   it  w it h   lo w er   in p u t  p o w er .   C la s s - A ,   B ,   A B ,   a n d   C   m o d es  ar e   o f te n   u s ed   f o r   th e  d r iv er   s tag e  d esig n   o f   t w o - s ta g e  P A .   I n   th is   w o r k   clas s   A B   m o d e  is   c h o s e n   d u e  to   it s   lo w   d is to r tio n   co m p ar ed   to   o th er   m o d es.  T h e  s tep - by - s tep   p r o ce s s   in v o l v ed   in   th e   p r o p o s ed   t w o - s ta g e  P A   d esi g n   m et h o d o lo g y   i s   d escr ib ed   in   d etail  w it h   t h e  h e lp   o f   th e  f lo w c h ar t s h o w n   i n   F ig u r e   1.     3 . 1 .     T ra ns is t o r  a nd   it s   t ec hn o lo g y   s elec t io n   As  an   i n itial  s tep   o f   t h e  P A   d esig n ,   a  GaN   tr an s is to r   is   c h o s en   f o r   th i s   w o r k   b ec au s e  o f   its   h ig h   o u tp u t  p o w er   d en s it y ,   w h ic h   m ak e s   it  w it h s ta n d   h i g h   o p er atio n al  v o lta g e  [ 3 6 ]   co m p ar ed   to   g alliu m   ar s e n id e   ( GaA s )   an d   C MO S,  an d   th e y   ca n   al s o   p r o v id e  h ig h er   ef f icie n c y   o v er   w id er   B W .   Am o n g   d if f er en t  GaN   tr an s i s to r   lar g e - s ig n al  m o d el s ,   a  C r ee ’ s   C G H4 0 0 1 0 F  tr an s is t o r   f r o m   W o lf   s p ee d   h as  b ee n   ch o s en   a s   th e   m ain   tr an s i s to r   b ec au s e  its   f ea t u r es  c an   p r o v id e  th e  d esire d   d esi g n   s p ec if icatio n s   o f   t h e  p r o p o s ed   t w o - s ta g e  P A .           Fig u r e  1 .   T w o - s ta g e  P A   d esi g n   f lo w c h ar t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 486 4   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  13 ,  No .   3 ,  No v e m b er   20 24 :  625 - 642   628   3 . 2 .     B ia s   po int  s elec t io n a nd   lo a d line a na ly s is   A cc o r d in g   to   W r ig h t  et  a l.   [ 1 6 ] ,   th e  class - J   m o d e  o p er atio n   o f   a  tr an s i s to r   ca n   b e  r ep r esen ted   b y   its   in tr i n s ic  d r ai n   v o lta g e  ( V DS )   w it h   a   h ar m o n ic   b o o s t  an d   p h ase  s h i f t  alo n g   w it h   t h e  h a lf - r ec tif ied   d r ain   cu r r en t   (I D ) .   T h e  class - J   m o d e  V DS   an d   I D   w a v e f o r m s   ca n   b e  o b tain ed   b y   p r esen ti n g   a  co m p lex   i m p ed a n ce   an d   a  p u r e   r ea ctiv e  i m p ed an ce   t h at   ca n   b e  ex p r ess ed   b y   ( 1 )   an d   ( 2 )   as  f u n d a m e n tal  a n d   s ec o n d   h a r m o n ic  lo ad s   to   th e   s elec ted   tr an s i s to r   r esp ec tiv el y ,   b y   b iasi n g   it  w it h   clas s - B   m o d e.      0 = (  − ℎ ) ( 1 +  ) / 2 =  +     ( 1 )     2 0 = − (  − ℎ )  2 ( 3 )   = − 3 8    ( 2 )     W h er e  th e  o p ti m u m   r e s is ta n ce   (  )   ca n   b e  r ep r esen ted   u s i n g   ( 3 ) .      = 2(  − ℎ ) /I m ax   ( 3 )     T h er ef o r e,   af ter   s elec tin g   t h e  tr an s i s to r ,   th e  lo ad - lin e  an a l y s is   o f   th e  p o w er   s ta g e  w a s   p er f o r m ed   to   o b tain   th e  clas s - J   m o d e’ s   tar g et  r ef er en ce   i m p ed an ce s .   B ased   o n   th is   an al y s is ,   to   ac h ie v e  th e  m a x i m u m   P out,   th e  s e lecte d   tr an s is to r ’ s   d r ain   is   b iased   w it h   a  DC   v o lta g e  o f   2 8   V,   w h ich   is   t h e  v alid   lo west  V DS   th at   ca n   b e   ap p lied   to   allo w   t h e  h i g h   s w i n g   i n   th e  d r ain   v o lta g e  d u e  to   th e  h ar m o n ic  b o o s t  in   th e  class   J   o p e r atio n   m o d e  u p   to   its   b r ea k d o w n   v o ltag e  o f   8 4   V.   T h e  g ate  is   b iased   w i th   th e  n ea r - t h r es h o ld   v o ltag e  ( V th ) ≅ - 3   V  to   in it iall y   o p er ate  th e  d ev ice  in   clas s - B   m o d e  to   o b tain   t h e  d es ir ed   h a lf - r ec tifie d   I D .   T h e  V DS   o f   cla s s - J   m o d e  o p er atio n   ca n   b e  th eo r etica ll y   e x p r ess ed   as sh o w n   i n   ( 4 ) .     ( ) =  ( 1 + ) ( 1 +  )   ( 4 )     T h e  “A lp h a”   f ac to r   ( α ) ,   a s   s h o w n   in   ( 4 ) ,   ca n   b e  v ar ied   f r o m   - 1   to   1 ,   an d   ea ch   V DS   w av ef o r m   f o r   d if f er e n t  v alu e s   o f   α  r esu l ts   i n   th e  s a m e  th eo r etica l  e f f icie n c y   w h en   co m b in ed   w i th   h al f   r e ctif ied   I D ,   ca u s i n g   th e  clas s - J   m o d e  to   ex p an d   it s   B W .   Fo r   α =1 ,   ( 4 )   ca n   b e  ex p an d e d   as sh o w n   i n   ( 5 ) .     ( ) =  ( 1 + +  + 1 2  2 )   ( 5 )     T h er ef o r e,   w h e n   ( α )   i s   m o v ed   f r o m   “ 0 ”  ( i.e . ,   class - B   m o d e)   to   “ 1 ”  o n   t h e  s lid er ,   a  h ar m o n ic  b o o s t  an d   a  p h ase  s h if t  ca n   b e  n o ticed   in   V DS   d u e  to   th e   2   an d      ter m s   o f   ( 5 )   r esp ec tiv el y ,   w h ich   r ese m b le   th e  clas s - J   m o d e’ s   V DS   an d   I D   w a v ef o r m s   a s   s h o w n   i n   Fig u r e   2 .   T h e  tar g et  r ef er en ce   lo ad   im p ed an ce s   co r r esp o n d in g   to   th e  class - J   m o d e  o p er atio n   ( f o r   α =1 ) ,   w h ich   ar e  o b tain ed   f r o m   lo ad   lin e  an al y s i s   u s i n g   ( 1 )   an d   ( 2 )   ar e  r ep r esen t ed   in   Fig u r e   3   u s i n g   a  S m it h   c h ar t.               Fig u r e  2 .   C lass - B   to   J   o p er atio n   m o d e  w . r . t α =0   to   1   Fig u r e  3 .   T a r g et   r ef er en ce   lo a d   im p ed an ce s   o f   clas s - J  o p er atio n   m o d e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       A n   a ctive   tw o - s ta g e  cla s s - J  p o w er a mp lifi er d esig n   fo r   s ma r t   g r id ’ s   5 G  w ir eles s   …   ( N a g is e tty  S r id h a r )   629   Un li k e  th e  p o w er   s tag e,   t h e  d r iv er   s tag e  d r ain s   an d   th e  g at e  b ias  v o ltag e s   ar e  s et  as  2 8   a n d   - 2 . 7   V,   r esp ec tiv el y ,   f o r   th e  co r r esp o n d in g   cla s s - A B   m o d e,   a n d   it s   tar g et  r e f er en ce   i m p ed an ce s   a r e  o b tain ed   d ir ec tl y   f r o m   th e  C G H4 0 0 1 0 F  d ev ice  d atash ee t  as  3 . 1 8 - j * 1 3 . 3   an d   1 4 . 6 + j * 7 . 4 5 .   T h e  s elec tio n   o f   tar g et  r ef er en ce   i m p ed an ce s   i s   v er i f ied   b y   p er f o r m i n g   lo ad   lin e  an a l y s is   u s i n g   d esig n   eq u at io n s   i n   t h e  A DS   w o r k s p ac e.     3 . 3 .     St a bil it y   a na ly s is   On ce   th e  p o w er   s ta g e  ( class - J )   an d   d r iv er   ( class - A B )   s tag e  tr an s is to r s   ar e  b iased ,   th eir   s tab ilit y   an al y s is   w a s   p er f o r m e d   co r r e s p o n d in g   to   th e  r esp ec tiv e  b i asin g   p o in ts   f o r   a  f r eq u en c y   r an g e  o f   ( 3 - 4 )   GHz   u s i n g   S - p ar a m eter   n et w o r k   a n al y ze r   ( SP _ NW A )   as  s h o w n   in   Fig u r e  4 .   T h e  u n co n d itio n al  s tab ilit y   o f   th e   tr an s i s to r s   in   th e  P A   ca n   b e  a s s u r ed   b y   s atis f y i n g   t w o   m ai n   co n d itio n s   s u c h   as  t h e  R o llet   s tab ilit y   f ac to r   ( K)   ex p r ess ed   i n   ( 6 )   m u s t  b e  g r ea t er   th an   u n it y   ( i.e . ,   K> 1 ) ,   an d   t h e  s tab il it y   m ea s u r e  ( b )   ex p r e s s ed   in   ( 7 )   m u s t  b e  a  p o s itiv e  v al u e  ( i.e . , >0 ) .     = { 1 − | 11 | 2   – | 22 | 2 + | 11 ∗ 22 − 12 ∗ 21 | 2   } { 2 ∗ | 12 ∗ 21 | }   ( 6 )     = { 1 + | 11 | 2   – | 22 | 2 − | 11 ∗ 22 − 12 ∗ 21 | 2   }   ( 7 )     I n   t h is   w o r k ,   a  s tab ilizatio n   r e s is to r   o f   5   Ω   i s   co n n ec ted   w it h   t h e  tr a n s i s to r ’ s   g a te  ter m in a l  in   s er ie s   to   en s u r e  t h e  tr an s is to r ’ s   u n co n d itio n a l  s tab ilit y   b y   m a k i n g   ( K> 1 )   an d   ( b >0 )   o v er   a  d esire d   f r eq u en c y   r an g e.           Fig u r e   4 .   Stab ilit y   a n al y s i s   o f   a  GaN   tr an s i s to r   f o r   d r iv er   an d   p o w er   s ta g e       3 . 4 .     L o a d  pu ll a na ly s is   Af ter   en s u r in g   t h e  u n co n d it io n al  s tab ili t y   o f   th e  d r i v er   an d   p o w er   s ta g e ’ s   tr a n s i s t o r s ,   th eir   co r r esp o n d in g   lo ad - p u ll  s i m u latio n s   w er e  p er f o r m ed   to   g et  t h e  o p ti m u m   s o u r ce   ( Z S )   a n d   lo ad   ( Z L )  i m p ed an ce s   co r r esp o n d in g   to   th e  m a x i m u m   p o w er   ad d ed   ef f icien c y   ( P A E )   an d   th e  P out .   T h ese  Z S   a n d   Z L   v alu e s   o b tain ed   u s in g   lo ad - p u ll  a n al y s i s   w il l  b e  u s ed   f o r   M. N's  d esi g n .   L o ad   p u l l  s i m u latio n s   ca n   b e   p er f o r m ed   o n   a  lar g e  s i g n al  m o d el   o f   t h e  Ga N  tr an s is to r   ( C GH4 0 0 1 0 F)  u s i n g   th e  h ar m o n ic  b alan ce   ( HB )   1 - T o n e  l o ad   p u ll  d esig n   g u id e  in   th e  A DS  E D A   to o l.  I n itiall y ,   th e  tr an s i s to r 's  f u n d a m en t al  s o u r ce   an d   lo ad   i m p ed an ce   v al u e s   f o r   p o w er   an d   d r iv er   s tag es  o b tain ed   f r o m   lo ad   lin e   an al y s is   a n d   d ev ice  d ata  s h ee t   r esp ec tiv el y   ar e  u s ed   as  tar g et   r ef er en ce   i m p ed an ce s   i n   th e  HB 1 - T o n e  lo ad   p u l l  s i m u latio n   s et u p ,   as  s h o w n   i n   Fig u r e   5.   T h e  s ec o n d   h ar m o n ic  o f   th e  d r iv er   s tag e  w as  s e t  at  h ig h   i m p ed a n ce   to   k ee p   it  a s   a n   o p en   cir cu i t,   w h er ein   th e  p o w er   s ta g e,   th e   s ec o n d   h ar m o n ic  i m p ed an ce   o b tain ed   f r o m   lo ad   lin e  a n al y s i s ,   is   u s ed   as  t h e   tar g et  r ef er e n ce   i m p ed an ce .   T h e  t h ir d   h ar m o n ic   i m p ed a n ce   o f   t h e  d r iv er   a n d   p o w er   s ta g es  w er e  s et   at  h i g h   i m p ed an ce   to   k ee p   it   as  a n   o p en   cir cu it,  a n d   o t h er   h ar m o n ic s   w er e  ter m in a ted   at  5 0   Ω .   T h e  f u n d a m e n tal  a n d   s ec o n d   h ar m o n ic  lo ad   i m p ed a n ce s   at  o f   p o w er   s ta g e  ar e  cr u c ial  to   o b tain in g   th e  d es ir ed   class - J   o p er atio n   w it h   en h a n ce d   B W .   T h e  d r iv er   ( class - A B )   an d   p o w er   ( class - J )   s tag e s   w it h   r e s p ec tiv e   b iasi n g   v o lta g es  a n d   i n p u t   p o w er s   at  3 . 5   GHz   R F  f r eq u en c y   ar e  v alid ated   b y   p lacin g   th ese  Z S   an d   Z L   v a lu e s   at  th eir   co r r esp o n d i n g   tr an s i s to r ’ s   ter m i n als i n s tead   o f   th e ir   5 0   Ω   ter m i n atio n s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 486 4   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  13 ,  No .   3 ,  No v e m b er   20 24 :  625 - 642   630       Fig u r e   5 .   L o ad - p u ll a n al y s i s   o n   th e  s tab ilized   tr an s is to r   f o r   d r iv er   an d   p o w er   s ta g e  m o d es       3 . 5 .     I M N,   O M N,   a nd   I SM N  d esig n   T h e  n ex t  i m p o r tan t  s tep   af ter   v alid atio n   o f   Z S   an d   Z L   is   t h e  d esi g n   o f   ap p r o p r iate  M. Ns.  P r o p er   d esig n   o f   i m p ed a n ce   M. Ns   ca n   i m p r o v e  t h e  ef f icie n c y   a n d   B W   o f   th e  p r o p o s ed   P A   b y   m itig ati n g   th e  er r o r s   d u e  to   s ec o n d - o r d er   ef f ec t s .   I n   g e n er al,   h ar m o n ic  d is to r tio n   an d   in ter m o d u la tio n   d is to r t io n   ar e  th e  cr u cial   s ec o n d - o r d er   e f f ec ts   t h at  ca n   af f ec t  th e  o p er atio n   o f   t h e  Ga N  tr an s i s to r   w h e n   a  o n e - to n e  s ig n al  f ee d s   t h e  P A .   T h e  P A   d esig n   s h o u ld   b e  o p tim ized   f o r   lo w   o u tp u t  i m p ed a n ce   an d   h ig h   li n ea r it y   to   m iti g ate  th e s e  h ar m o n ic   an d   in ter m o d u latio n   d is to r tio n s .   B y   p r o v id in g   th e  p r o p e r   i m p ed an ce   tr an s f o r m a tio n   b et w ee n   t h e  s o u r ce ,   tr an s i s t o r ’ s   ter m in al s ,   an d   lo ad ,   th e  M. Ns  ca n   m in i m iz e  th e  r ef lectio n s   an d   i m p r o v e  p o w er   tr an s f e r   ef f icien c y ,   r ed u ci n g   h ar m o n ic   an d   i n ter m o d u latio n   d i s to r tio n   ca u s ed   b y   i m p ed a n ce   m is m atch   a n d   i m p r o v in g   o v er al l  p er f o r m a n ce .   P r o p e r   M. Ns  d esig n   also   r ed u ce s   th e  er r o r s   ca u s ed   b y   th e  in s tab ilit y   d u e  to   s ec o n d - o r d er   ef f ec ts   s u ch   a s   v ar iatio n s   in   p ar asit ic  ca p ac ita n ce s   a n d   ca n   ex te n d   th e  u s ab le  B W .   T h er ef o r e,   in itiall y ,   to   ac h ie v e  ap p r o x i m atel y   5 0 0   MH z  B W   w i th   3 . 5   GH z  ce n tr e  f r eq u en c y ,   3   lu m p ed   ele m en t - b ased   L ,   π,   an d   T - t y p e  M. Ns  w er e  d esi g n ed   f o r   co r r esp o n d in g   I MN ,   OM N,   an d   I SMN,   b ec au s e  o f   th e   p r o p o s ed   P A ’ s   t w o - s tag e  s tr u c tu r e.   T h e  v a lu es  o f   p as s i v e  l u m p ed   i n d u cto r s   an d   ca p ac ito r s   i n   th ese  L ,   π,   a n d   T - t y p e  M. N s   w er e   ca lc u lated   u s i n g   t h eir   g en er al  d esi g n   eq u atio n s   i n   ter m s   o f   Q - f ac to r .   T o   v alid ate  th e  p r o p er   d esig n   o f   th e  M. Ns,  th e  d r iv er   an d   p o w e r   s tag e  tr an s i s to r s   ar e  r ep r ese n ted   as  “Z 2 P _ E q n ”   b lo ck s   b y   p lacin g   t h e  o p ti m u m   i m p ed a n ce s   Z S  an d   Z L   a s   Z   [ 1 , 1 ] ,   Z   [ 2 , 2 ] ,   an d   th e   S - p ar a m eter s   w er e  m ea s u r ed   f o r   a  d esire d   f r eq u en c y   r a n g e  o f   ( 3 - 4 )   GHz   u s i n g   th e  S - p ar a m eter   s w ee p   s et u p   o f   th e  A DS  E D A  to o l  as  s h o w n   in   Fi g u r e   6 .   T h e  tr an s f er   i m p ed an ce s   o f   tr an s i s to r s   ( ( i.e . ,   Z   [ 1 , 2 ]   an d   Z   [ 2 , 1 ] )   ar e   ig n o r ed ,   b ec au s e  th e  M. N s   w ill  b e  d esig n ed   to   m atc h   o n l y   t h ese  Z   [ 1 , 1 ]   an d   Z   [ 2 , 2 ] )   o f   d r iv er   an d   p o w er   s ta g e   tr an s i s to r s   w it h   ea c h   o th er   a n d   also   w ith   th e   co r r esp o n d in g   s o u r ce   an d   lo ad   ter m in a tio n s .   I n   th is   w o r k ,   a s   t h e   GaN   tr an s i s to r   is   u s ed   in   t h e  c lass - J   p o w er   s tag e  a s   th e  ac t iv e  d ev ice,   th e  s ec o n d - o r d er   ef f ec ts   ar e  tak en   ca r e   o f   b y   it s   d r ain - s o u r ce   ca p ac it o r   ( C d s ) ,   an d   th e  ca p ac ito r   C 3   o f   OM N  as  th eir   v al u es  ar e  co n s id er ed   as  s h o r t  cir cu it a t h ig h er   h ar m o n ic  f r eq u en cie s .           Fig u r e   6 .   I MN ,   OM N,   an d   I SMN  w i th   S - p ar a m e ter   s w ee p   s etu p       F i g .   5 .   L o a d - p u l l   a n a l y s i s  o n   t h e   st a b i l i z e d   t r a n s i st o r   f o r   d r i v e r   a n d   p o w e r   st a g e   m o d e s       F i g .   6 . I MN ,  O M N ,   a n d   I S M N   w i t h   S - p a r a m e t e r   sw e e p   s e t u p   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       A n   a ctive   tw o - s ta g e  cla s s - J  p o w er a mp lifi er d esig n   fo r   s ma r t   g r id ’ s   5 G  w ir eles s   …   ( N a g is e tty  S r id h a r )   631   3 . 6 .     Va lid a t i o n  o f   pro po s ed  t w o - s t a g e  po w er   a m pli f ier   T h e  p r o p o s ed   t w o - s ta g e  P A  w it h   5 0   Ω   ter m i n atio n s   i s   v al id ated   b y   p laci n g   t h ese   d esig n ed   p ass i v e   lu m p ed   ele m en t - b ased   M. Ns  at  th e  ap p r o p r iate  p lace s ,   as  s h o w n   i n   Fig u r e   7 ,   an d   o p tim i zin g   t h e m   u s in g   th e   A D S  o p ti m izatio n   to o l  to   g et  th e  d esire d   p er f o r m a n ce .   T h e  p ass iv e  lu m p ed   ele m e n t - b ased   M. Ns  w er e  in itial l y   r ea lized   to   v alid ate  th e  p r o p o s ed   P A .   I ts   s i m u lated   VDS  an d   I D  w av e f o r m s   w er e  o b s er v ed   to   v er if y   th e  s ta n d ar d   class - J   P A   o p er atin g   m o d e  o f   t h e  p r o p o s ed   P A 's  p o w er   s ta g e.   T h e  v alid atio n   o f   th e  p r o p o s ed   P A   ca n   b e  d o n e  b y   m ea s u r i n g   its   p er f o r m a n ce   p ar a m eter s   s u ch   as  P out ,   g ain ,   B W ,   D. E ,   an d   P A E   u s in g   t h e  HB   s i m u lato r   in   th e  A DS  to o l  w h en   it  is   f ed   b y   in p u t  p o w er   ( P av s _ d B m )   o f   2 0   d B m   w it h   3 . 5   GHz   o p er atin g   f r eq u en c y .   A f ter   v alid atio n   o f   th e  p r o p o s ed   t w o - s tag e  P A  d esig n   w it h   p ass iv e  l u m p ed   elem e n t s ,   its   f i n al   la y o u t  d esi g n   ca n   b e  r ea lized   b y   r ep lacin g   it s   id ea l  p ass i v e  lu m p ed   ele m e n ts   w it h   ac tiv e  ele m e n ts   ( tr an s is to r s )   to   ch ec k   its   f ea s ib ilit y   f o r   in te g r atio n .           Fig u r e   7 .   P r o p o s ed   tw o - s ta g e  class - J  P A ’ s   s c h e m a tic  cir cu it       3 . 7 .     Act i v e  ind uct o r  des ig n   T h e  p r o p o s ed   P A   d esig n   w a s   in te n d ed   to   r ep lace   its   p as s iv e   lu m p ed   ele m e n t s   w it h   ac t iv e   ele m e n t s   to   m ak e   it  f ea s ib le  f o r   in teg r a tio n .   T h er ef o r e,   af ter   v alid ati n g   th e  p r o p o s ed   P A   d esi g n   with   p as s iv e   lu m p e d  ele m e n t - b ased   M. Ns,  as   an   in i tial  s tep ,   a n   A I   is   d esi g n ed   to   r ep lace   th e  p ass i v e  l u m p ed   in d u cto r   in   it s   OM N ,   as  s h o w n   i n   Fi g u r e   8 .   T h e  A I   d esi g n   a llo w s   u s   to   o v er c o m e  th e  d is ad v an tag e s   o f   co m m o n l y   u s ed   s p ir al  in d u cto r s   [ 2 8 ]   an d   ac h iev e s   tu n ab le   in d u c tan ce   w i th   r ed u ce d   ch ip   ar ea .           Fig u r e   8 .   A I - b a s ed   OM N  f o r   class - J   P A       T h er ef o r e,   af ter   v alid ati n g   t h e   p r o p o s ed   tw o - s ta g e  P A   w it h   lu m p ed   ele m e n t - b ased   M. Ns ,   as  s h o w n   in   Fi g u r e  7 ,   d if f er en t  g y r ato r - C - b ased   A I   d esig n s   w er e  r ev i e w ed   an d   an al y ze d   to   r ep lace   its   OM N’ s   p a s s iv e   lu m p ed   i n d u cto r   w it h   A I .   B ased   o n   th e  t h eo r y   o f   g y r at o r - C   to p o lo g y ,   w h en   t w o   tr an s co n d u cto r s   ar e   co n n ec ted   b ac k - to - b ac k ,   it  ca n   b e  ter m ed   a   g y r ato r .   W h en   a  ca p ac ito r   is   co n n ec ted   to   a  g y r ato r ’ s   o u tp u t,  its   eq u iv ale n t  i n p u t  i m p ed a n ce   ca n   b e  s y n th e s ize d   as  an   in d u cto r   an d   ter m ed   g y r ato r - C -   A I ,   as  s h o w n   i n     Fig u r e  9 .   I ts   b asic  to p o lo g y   ca n   b e  r e p r esen ted   in   ter m s   o f   tr an s co n d u c to r s   as  s h o w n   in   F ig u r e  9 ( a) .   B y   r ep lacin g   th e  g y r ato r - C   A I ’ s   tr an s co n d u cto r s   w i th   co m m o n   d r ain   an d   co m m o n   s o u r ce   co n f i g u r ed   tr an s i s to r s   ( MO SF E T s ) ,   r esp ec tiv el y ,   as  s h o w n   i n   Fi g u r e  9 ( b ) ,   its   in d u ctan ce   alo n g   w ith   t h e  p ar asit i c  p ar am eter s   ca n   b e   d ep icted   as sh o w n   i n   Fi g u r e  9 ( c)   u s in g   an   R L C   eq u iv ale n t c ir cu it.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 486 4   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  13 ,  No .   3 ,  No v e m b er   20 24 :  625 - 642   632         ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r e   9 .   G y r ato r - C   A I   ( a)   ba s ic  to p o lo g y ,   ( b )   MO SF E T - b as ed   to p o l o g y ,   an d   ( c)   eq u iv ale n t RLC   cir cu it       T h e  in d u ctan ce   ( )   o f   th e  MO SF E T - b ased   g y r ato r - C   A I ,   alo n g   w it h   p ar asit ic  r esis ta n ce s   ( ,  )  an d   ca p ac itan ce   ( ) ,   ca n   b e  r ea lized   f r o m   its   ad m itta n ce   ( )   ex p r ess io n   as  s h o w n   i n   ( 8 )   th at  is   o b tain ed   b y   ap p ly i n g   KC L   at  n o d es 1   an d   2 .     =  =  1 + 1 + 1 (  2 1 2 ) + (  1 1 2 )   ( 8 )     T h is   ad m itta n ce   ( )   ex p r ess io n   o f   th e   g y r ato r - C   A I   s h o w n   i n   ( 8 )   is   an alo g o u s   to   th e  ad m itt an ce   ( )  ex p r ess io n   o f   its   R L C   eq u iv al en t c ir cu i t a s   s h o w n   i n   Fi g u r e   9 ( c) ,   an d   it c an   b e  ex p r ess ed   as sh o w n   i n   ( 9 ) .     =   = + 1 + 1 ( ) + ( )   ( 9 )     B y   co m p ar in g   ( 8 )   an d   ( 9 )   th e     o f   t h e  MO SF E T - b ased   g y r ato r - C   A I   alo n g   w it h   t h e  eq u i v al en t  R L C   cir cu it  p ar a m eter s   ( ,  )   an d   ( )   ar e  ex p r ess ed   in   ter m s   o f   th e  tr an s i s to r ’ s   tr a n s co n d u cta n ce s   a n d   in ter n a l   ca p ac itan ce s   as  s h o w n   in   ( 1 0 ) .     =  2 1 2 ,  =  1 1 2 ,  = 1 1 ,   =  1   ( 1 0 )     T h e  in p u t  i m p ed an ce   (  )   o f   th e  g y r ato r - C   A I   ca n   b e  ex p r es s ed   as  th e  i n v er s e  o f     in   ter m s   o f   eq u iv ale n t  R L C   cir cu it p ar a m eter s   ,  ,  ,   an d   ( )   as sh o w n   i n   ( 1 1 ) .     = 1 = ( ) + 1 2 + ( 1 + ) + { + }   = { 0 2 }   ( 1 1 )     Fro m   ( 1 1 ) ,   th e  s elf - r eso n ati n g   f r eq u en c y   ( 0 )   o f   th is   MO SF E T - b ased   g y r ato r - C   A I   w h en   >>   i s   ex p r ess ed   as s h o w n   i n   ( 1 2 ) .     0 = √ + = √ 1 = √ 1 2  1  2   ( 1 2 )     T h e  in d u cti v e  f r eq u en c y   r an g e  o f   t h is   g y r ato r - C   A I   ca n   b e  ( >   >   0 )   w h er e    is   a  lo w er   b o u n d ed   f r eq u en c y   t h at  ca n   b e   ex p r ess ed   as s h o w n   i n   ( 1 3 ) .     =     =      1  2   ( 1 3 )     T h is   MO SF E T - b ased   g y r ato r - C   A I ’ s   qu alit y   ( Q )   f ac to r   at  =   0   ca n   b e  o b tain ed   f r o m      ex p r ess io n   i n   ter m s   o f   t h e  tr an s is to r ’ s   tr an s co n d u cta n ce s   an d   in ter n al  ca p ac ita n ce s ,   as  s h o w n   i n   ( 1 4 ) .     Q ( ω 0 )   =    [  ]  [  ]   ≅ 0 = 1  1 √ 1   2  2  1   ( 1 4 )     Fro m   t h e  ex p r es s io n s   o f   th e    an d   Q   f ac to r   o f   MO S FET - b ased   g y r ato r - C   A I ,   it  ca n   b e  n o ti ce d   th at   v ar y i n g   th e   w id th s   o f   th e  tr an s i s to r s   ( M 1   an d   M 2 )   v a r ies  th eir   tr a n s co n d u cta n ce s   an d   in ter n al  g ate   ca p ac itan ce s   at  t h e  s a m e  ti m e,   d u e  t o   w h ich   it i s   d if f ic u lt to   t u n e  t h e    an d   Q   f ac to r   in d ep en d en tl y .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t     I SS N:   2089 - 4864       A n   a ctive   tw o - s ta g e  cla s s - J  p o w er a mp lifi er d esig n   fo r   s ma r t   g r id ’ s   5 G  w ir eles s   …   ( N a g is e tty  S r id h a r )   633   B ased   o n   th i s   an a l y s is ,   i n   t h i s   w o r k ,   a n   A I   i s   d esi g n ed   u s i n g   t h e  W en g - Ku o   ca s c o d e  to p o lo g y   [ 3 1 ]   f o r   ac h ie v i n g   a  1   n H  i n d u c ta n ce   v al u e  at  3 . 5   GHz   ce n tr e  f r e q u en c y   f o r   r ep lacin g   th e   p ass i v e   l u m p ed   i n d u cto r   in   OM N   o f   t h e  p r o p o s ed   P A .   T h e  m ai n   r ea s o n   f o r   ch o o s i n g   t h is   to p o lo g y   i s   its   ab ilit y   t o   tu n e   th e     an d   Q   f ac to r   in d ep en d en tl y   w h ich   ca n   b e  ac h ie v ed   b y   ad d in g   a  M OSFET   (M 1 )   i n   ca s co d e   to   th e  m ai n   MO S FET   o f   th e  b asic  MO SF E T - b ased   g y r a to r - C   A I   s tr u ct u r e  as  s h o w n   in   Fig u r e   1 0 ( a) .   W ith   th is   co n f i g u r atio n ,   in d ep en d en t  t u n i n g   o f     an d   Q   f ac to r s   is   p o s s ib le  b ec au s e  g m6   is   p r o p o r tio n al  to   I 1 +I 3   w h ile  1   is   o n l y   p r o p o r tio n al  to   I 1 .   I n   ad d it io n ,   th i s   to p o lo g y   b en e f its   f r o m   les s   ch ip   ar ea   an d   lo w   p o w er   co n s u m p t io n   co m p ar ed   to   th e  p ass i v e  l u m p ed   o r   s p ir al  in d u cto r   d u r in g   its   in teg r at io n .   Si m i lar   to   th e  b asic  g y r ato r   - C   A I ’ s   R L C   eq u iv ale n t  cir cu i t  p ar am eter s ,   th i s   A I ’ s   eq u i v a len t  cir cu it   p ar am et er s   th at  ar e  o b tain ed   f r o m   it s      ex p r ess io n   ca n   b e  r ep r esen ted   in   ter m s   o f   tr an s c o n d u ctan ce s   an d   p ar asit ic  ca p ac itan ce s   o f   M OS FET s   1 . 2  an d   6   as sh o w n   i n   ( 1 5 ) :     =  2 6 2 ,   =  6  1 6 2 1 ,  = 1  2 + 1 ≈   1   ,   =  6   ( 1 5 )     th e  r eso n a n t  f r eq u en c y   an d   co r r esp o n d in g   Q - f ac to r   ca n   b e  r ep r esen ted   as s h o w n   i n   ( 1 6 )   an d   ( 1 7 ) .     0   =   √ 6 2  1  2   ( 1 6 )     ( 0 ) =   0 = 1  6  1 √ 6   2  2  1   ( 1 7 )     T h er ef o r e,   an   A I   b ased   o n   ca s co d e  to p o l o g y   as  s h o w n   i n   Fig u r e  1 0   is   s i m u lated   w it h   a  g ate  b ias  ( Vb ) =1 . 5   V  an d   a  s u p p l y   v o lt ag e  ( VDD) =3 . 3   V  to   o b tain   d esire d     an d   Q   f ac to r   v alu e s ,   an d   th e  id ea l  c u r r en t   s o u r c es  I 1 ,  I 2  an d   I 3   in   its   to p o lo g y   as  s h o w n   i n   Fig u r e  1 0 ( a)   ar e  r e p lace d   w it h   s atu r ated   MO SF E T S  M5 ,   M4 ,   an d   M7   as  s h o w n   i n   Fi g u r e  1 0 ( b ) .   T h e  MO SF E T s   M 1 ,   M 2 ,   M 4 ,   M 5 ,   M 6 ,   an d   M 7   W /L  r atio s   o f   t h e  A I   ar e  tu n ed   a n d   o p ti m ized   f o r   ac h i ev in g   a  t u n ab le  i n d u cta n ce   v a lu e  o f   1   n H≈ 9 5 6   p H  ( i.e . ,   t h e  p ass i v e  l u m p e d   in d u cto r ’ s   i n d u cta n ce   v al u e  i n   OM N)   at  th e  3 . 5   GHz   ce n tr e  f r eq u en c y   u s i n g   S - p ar a m eter   s i m u lato r .           ( a)   ( b )     Fig u r e   1 0 .   C asco d e  A I   ( a)   to p o lo g y   an d   ( b )   s ch e m atic  s i m u l atio n   in   ADS       4.   RE SU L T S  AND   D I SCU SS I O N   T h e  s i m u latio n   r es u lts   o f   p r o p o s ed   tw o - s ta g e  clas s   J   P A s   ar e  p r esen ted   in   th e  o r d er   o f   th eir   d esig n   m et h o d o lo g y   s tep s .   T h e  p r o p o s ed   P A   an d   th e  A I   o f   its   O MN   ar e  v alid ated   b y   e v alu a ti n g   t h eir   p er f o r m a n ce   p ar am eter s .   Fin all y ,   th e  in te g r atio n   f ea s ib ilit y   an d   s u itab ili t y   o f   th e  p r o p o s ed   t w o - s tag e  class - J   P A   f o r   5 G   w ir ele s s   co m m u n icatio n   n et wo r k s   in   s m ar t  g r id ’ s   AM I   ar e  v er if ied   b y   p er f o r m in g   it s   la y o u t  s i m u latio n s   w it h   an   ac tiv e  ele m en t - b ased   d esig n   ap p r o ac h   u s in g   th e  Sil ter r a  0 . 1 3   μ m   p r o ce s s   in   MG   E DA   to o l.  T h e  s i m u la tio n   r esu lt s   o f   all  d esire d   p er f o r m an ce   m etr ics  o f   t h e  p r o p o s ed   P A   an d   th e  A I   o f   its   O MN   ar e  d escr ib e d   as   f o llo w s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 486 4   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  13 ,  No .   3 ,  No v e m b er   20 24 :  625 - 642   634   4 . 1 .     St a bil it y   T h e  s i m u latio n   r e s u l ts   o f   t h e   s tab ilit y   a n al y s is   p er f o r m ed ,   as  s h o w n   i n   Fi g u r e  4 ,   r ev ea l   th at  t h e   ac tiv e  d ev ice  ( i.e . ,   GaN   t r an s i s to r )   is   u n s tab le  w i th o u t  an y   s tab ilizatio n   r esis ta n ce   as  its   s t ab ilit y   f ac to r   ( K)   i s   <1 .   Ho w e v er ,   w ith   t h e  p lace m en t  o f   a  s er ies  r esis tan ce   a t  th e  g ate  o f   t h e  tr an s is to r ,   t h e  s tab ilit y   f ac to r   an al y s is   is   r ep r esen te d   in   F ig u r e  1 1 .   I t  is   o b s er v e d   f r o m   Fi g u r e  1 1 ( a)   an d   Fig u r e  1 1 ( b )   th at  th e  K  b ec o m e s   >1   an d   th e   s tab ilit y   m ea s u r e  i s   > 0   o v er   th e  d esire d   f r eq u en c y   r an g e   ( 3 - 4 )   GHz   w h ich   en s u r e s   th e   u n co n d itio n al   s tab ilit y   o f   th e  p o w er   an d   d r iv er   s tag e  tr an s is to r s .           ( a)   ( b )     Fig u r e  1 1 .   Stab ilit y   f ac to r   an al y s i s   ( a)   p o w er   s tag e  a n d   ( b )   d r iv er   s ta g e       4 . 2 .     O ptim u m   in pu t   /s o urce   a nd   o utput /lo a d i m pe da nces   f ro m   lo a d pul l   T h e  s i m u lato r   w ill  m ea s u r e  th e  P out   an d   P A E   f r o m   t h e  lo ad   p u ll  an al y s is   a n d   g e n er ate  th e ir   co n to u r   pl o t  f o r   ev er y   s w ep t  p o in t.  Fi g u r e   1 2   s h o w s   th e  lo ad   p u ll  s i m u latio n   r es u lts   w h er e  th e  o p ti m u m   Z S   an d   Z L   o f   th e  p o w er   s tag e  tr an s is to r   o b tain ed   c o r r esp o n d in g   to   m a x i m u m   P A E   ar e  6 . 3 2 2 + j * 1 4 . 0 5 3   an d   1 6 . 2 1 2 + j * 4 . 7 9 3 ,   r esp ec tiv el y .   Si m ilar l y ,   Fi g u r e   1 3   s h o w s   th e  o p ti m u m   Z S   an d   Z L   o f   th e  d r i v er   s ta g e   tr an s i s to r   o b tain ed   co r r esp o n d in g   to   t h e  m ax i m u m   P out /g ai n   ar e  5 . 9 9 6 + j * 1 5 . 0 3 8   a n d   1 1 . 0 3 5 + j * 4 . 0 7 0 ,   r esp ec tiv el y .   T h e  v al u e s   o f   Z S   a n d   Z L  o b tain ed   f r o m   th e   s i m u latio n   r esu lts   o f   p o w er   an d   th e  d r iv er   s ta g e’ s   lo ad - p u ll a n a l y s is   co r r esp o n d in g   to   t h e  m a x i m u m   P A E   an d   m ax i m u m   p o w er   ar e  s h o w n   i n   T a b le  1 .   B y   p r ese n ti n g   t h e s e  o p ti m u m   i m p ed an ce s   at  r e s p ec tiv e  tr a n s i s to r   ter m i n als,  t h e  p o w er   an d   d r iv er   s tag e s   o f   t h e  p r o p o s ed   tw o - s tag e  P A   ar e  v alid ated   b y   co m p u ti n g   th eir   p er f o r m a n ce   p ar am eter s   u s in g   eq u atio n s   w it h   t h e  h e lp   o f   t h e  “ Me a s E q n ”  co m p o n e n t o f   t h e  HB   s i m u lato r   i n   t h e  A DS   E D A   to o l r esp ec ti v el y .   Fro m   th e   v alid atio n   o f   t h e  p o w er   s tag e,   it  is   o b s er v ed   t h at  t h er e  is   a  h ar m o n ic  b o o s t  in   in t r in s ic  d r ain   v o lta g e   ti m e  d o m ai n   s i g n al  ( ts ( X2 . Q1 . v d s i) )   ap p r o x i m atel y   u p   to   3   tim es ( i.e . ,   ≈ 8 4   V)   o f   th e  s u p p li ed   d r ain   v o ltag e  o f   28   V  an d   a  p h a s e  s h i f t  t h at  r ed u ce s   its   o v er lap   w it h   h al f   r ec tif ied   d r ain   cu r r en t  ti m e  d o m ai n   s ig n al   ( ts ( - X2 . Q1 . id i) )   as sh o w n   in   F ig u r e   1 4 ,   w h ic h   r ese m b le s   th e  V DS   an d   I D   w a v ef o r m s   o f   cla s s - J   o p er atio n   m o d e.           Fi g u r e  1 2 .   Op tim u m   Z S   an d   Z L   o f   t h e  p o w er   s tag e  tr a n s i s to r   w . r . t  m a x i m u m   P A E   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.