Architecture robuste avec ajustement de fréquence centrale et détection de phase et de tension pour des amplificateurs autonomes de puissance à base de coupleur hybride aux fréquences millimétriques.

Robust architecture with central frequency adjustement and phase and voltage detection for self-contained power amplifiers with hybrid couplers at millimeter frequencies.

• Auteur / Autrice : Jeremie Forest
• Direction : Eric Kerhervé, Vincent Knopik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 10/03/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Yann Deval
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Kerhervé, Yann Deval, Denis Barataud, Piet Wambacq, Vincent Knopik, Baudoin Martineau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Barataud, Piet Wambacq

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes à réseau réflecteur

Technologie 5G

Amplificateurs de puissance

Mots clés libres

Amplificateur de puissance CMOS

Autonome

5G

Beamforming

Coupleur hybride

Détecteurs de phase

Réseau d'antennes

CMOS power amplifiers

Self contained

5G

Beamforming

Hybrid coupler

Phase detector

Phase array

Résumé

Les communications basées sur le principe du beamforming imposent de concevoirdes systèmes complexes utilisant un grand nombre de frontaux radiofréquences (RF). Pour le bon fonctionnement du système, chaque élément doit pouvoir être dans sa zone optimale de travail, ce qui doit être aussi le cas pour l’amplificateur de puissance (PA) dont la linéarité et la puissance dépendent de l’adaptation de sortie. L’impédance de charge de l’amplificateur, qui correspond à un des éléments rayonnants du réseau d’antennes, peut subir des variations en fonction de son environnement (TOS) et détériorer les performances globales du système. Au final, le signal distribué sur chaque antenne pour former le faisceau global doit être contrôlé et maîtrisé en phase et en amplitude pour garantir une bonne communication.Les travaux de thèse se situent dans ce contexte et portent sur la recherche denouvelles topologies, ainsi que l’élaboration de blocs élémentaires, pour créer une nouvelle architecture d’amplificateur de puissance robuste à son environnement. L'un des principaux défis est le contrôle de la phase du PA et le maintien de ses performances RF en fonction des variations du processus de fabrication (PVT). Un autre défi consiste à réaliser un PA à haute efficacité, tout en maintenant une très bonne linéarité, ce qui constitue une rupture vis-à-vis du traditionnel compromis à trouver entre le haut rendement et la grande linéarité. Dans de telles conditions, le contrôle de phase du PA constitue un avantage majeur.Une première étape de ses travaux a consisté à proposer une approche globale de laconception du PA dans son environnement et ainsi quantifier l’impact des variations de l’impédance de charge du PA sur ses performances RF (gain, déphasage) en présence d’un réseau d’antennes. Une fois les points sensibles identifiés, plusieurs architectures de PA ont été envisagées pour adresser le ou les problèmes.Une première solution avec un PA autonome a permis d’améliorer la protection vis-àvis des variations de TOS d’antenne. Plusieurs topologies de PA dérivées de cette solution ont ensuite permis d’adresser les nouvelles problématiques de contrôle de la phase et de l’ajustement de la fréquence de fonctionnement. Ces architectures de PA intégrant les nouveaux concepts développés au cours de la thèse ont été implémentées dans les technologies 130nm SiGe et 65nm CMOS-SOI de STMicroelectronics. Les résultats de mesure ont permis de valider l’architecture du PA autonome avec l’ajustement de la fréquence de fonctionnement et la détection de phase et de tension.Cette approche de conception ne se limite pas aux communications 5G et peut êtrefacilement étendue à d'autres fréquences et pour d’autres applications telles que les télécommunications par satellites (SATCOM). Elle n’est pas dépendante du choix de la technologie silicium et peut être utilisée pour d’autres circuits RF tels que les amplificateurs faible bruit.

Communications based on beamforming concept require the design of complexsystems using a large number of radio frequency (RF) front-end modules. For theefficient performance of the system, each element must be able to be in its optimalworking zone, which must also be the case for the power amplifier (PA) whose linearity and power depend on the output matching. The amplifier's load impedance, which corresponds to one of the radiating elements of the antenna array, can vary according to its environment (VSWR) and deteriorate the overall performance of the system. In the end, the signal distributed on each antenna to form the global beam must be controlled in phase and amplitude to guarantee the quality of the communication.In this context, the thesis works are related to the new topologies’ research, asthe development of elementary blocks, to create a new power amplifier architecturewhich will be robust to its environment variations. One of the main challenges iscontrolling the phase of the PA and maintaining its RF performances according to themanufacturing process (PVT) variations. Another challenge is to achieve high efficiency PA, while maintaining very good linearity, which is a break with the traditional high efficiency/good linearity trade. In such conditions, the phase control of the PA is a major advantage.A first step in his work consists in proposing a global approach to the PA designin its environment and thus quantifying the impact of the phased-array antennaimpedance variations on the power amplifier RF performances (gain, phase shift). Once the sensitive points have been identified, several PA architectures have been considered to address the problem (s).A first solution with a stand-alone PA improves the robustness against the VSWRantenna variations. Several PA topologies derived from this solution then do it possibleto address the new problems of phase control and fine-tuning of the operatingfrequency. These PA architectures integrating the new concepts developed during thisthesis were implemented in 130nm SiGe and 65nm CMOS-SOI technologies fromSTMicroelectronics. The measurement results validate the architecture of the selfcontained PA with the operating frequency fine-tuning and the phase/voltage detection.This design approach is not limited to 5G communications and can be easilyextended to other frequencies and for other applications such as satellitecommunications (SATCOM). It is not dependent on the silicon technology choice and can be used for other RF circuits such as low noise amplifiers.