Etude et conception d’un amplificateur de puissance en technologie GaN MMIC fonctionnant en bande K adapté aux systèmes de suivi d’enveloppe

Study and design of a GaN power amplifier in K-band MMIC technology adapted to envelope tracking systems

• Auteur / Autrice : Mohamed Aziz Rifi
• Direction : Denis Barataud, Guillaume Neveux, Marc Camiade
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 25/03/2021
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Barataud, Guillaume Neveux, Marc Camiade, Mohammed Ayad, Jean Obregon, Serge Verdeyme
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joaquin Portilla, Eric Kerhervé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de télécommunications

Nitrure de gallium

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Amplificateurs de puissance

Mots clés libres

APSE

MMIC

HEMTs GaN

Signaux sur porteuse modulée

DPD

PAE

EVM.APSE

APSE Envelope Tracking Power Amplifier

MMIC

GaN HEMTs

Signals on Modulated Carrier

DPD

PAE

EVM

Résumé

Ces travaux de thèse s’intègrent dans le cadre du processus d’amélioration continue de l’efficacité et de la linéarité des amplificateurs de puissance en présence des signaux sur porteuses modulées utilisés par les systèmes de télécommunications modernes.Ces signaux présentent un PAPR élevé et une distribution statistique d’enveloppe centrée en-deçà de la valeur crête d’enveloppe. De ce fait, les amplificateurs de puissance conventionnel (classe AB à polarisation fixe) sont souvent surdimensionnés pour répondre aux besoins des industriels télécoms. La technique de suivi d’enveloppe a été utilisée pour augmenter la PAE le long de l’OBO (10 dB pour LTE) tout en gardant un gain en puissance constant associé à une bonne linéarité en termes de conversion d’AM/AM. Une méthode de conception d’amplificateur de puissance en technologie MMIC fondé sur l’utilisation des HEMTs GaN a été développée et utilisée pour concevoir un AP délivrant une puissance de sortie de 4W et fonctionnant en bande K [17-20GHz]. L’AP réalisé a été ensuite couplé à un modulateur numérique de polarisation de drain. L’ensemble AP et modulateur de polarisation constituant un système de suivi d’enveloppe appelé APSE a été caractérisé en termes d’efficacité et de linéarité en présence de signaux modulés. L’APSE montre des performances très intéressantes comparées à celles obtenue avec un AP à polarisation fixe. En effet à un OBO de l’ordre de 7dB, dans la bande [17-20GHz], la PAE est améliorée de [10-7.5 points]. La PAE moyenne le long de l’OBO varie entre 32 et 36% sur la bande considérée et elle est associée à une EVM variant entre 5 à 1.6% avec une DPD quasi-statique appliquée au signal en bande de base. Les caractérisations de l’APSE ont démontré l’intérêt de l’utilisation des amplificateurs de puissance à suivi d’enveloppe dans les systèmes de télécommunications modernes.

This thesis work is part of the process of continuous improvement of the efficiency and linearity of power amplifiers in presence of signals on modulated carriers used in modern telecommunications systems. These signals have a high PAPR and a statistical envelope distribution centered below the envelope peak value. As a result, conventional power amplifiers (Class AB fixed bias) are often oversized to meet the needs of the telecom industry. The envelope tracking technique has been used to increase the PAE along the OBO (10 dB for LTE) while maintaining a constant power gain associated to a good linearity in terms of AM/AM conversion. A power amplifier design method in MMIC technology based on the use of GaN HEMTs has been developed and is used to design an APdelivering an output power of 4W and operating in K-band [17-20GHz]. The realized APwas then coupled to a digital drain bias modulator. The APand bias modulator assembly constituting an envelope tracking system called APSE was characterized in terms of efficiency and linearity in presence of modulated signals. The APSE shows very interesting performances compared to those obtained with a fixed bias AP. Indeed, at an OBO of about 7dB, in the [17-20GHz] band, the PAE is improved by [10-7.5]. The average PAE along the OBO varies between 32 and 36% over the considered band and it is associated to an EVM varying between 5 and 1.6% with a quasi-static DPD applied to the baseband signal.The characterizations of APSE have demonstrated the interest of the use of envelope tracking power amplifiers in modern telecommunications systems.