Conception d'amplificateurs intégrés de puissance en technologies Silicium pour station de base de la quatrième génération des systèmes de radiocommunications cellulaires

Design of base stations integrated power amplifier in silicon technology for the fourth generation of cellular radio communication networks

• Auteur / Autrice : Sullivan Plet
• Direction : Michel Campovecchio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique
• Date : Soutenance le 30/11/2016
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Campovecchio, Jean-Jacques Bouny, David Maurin, Jean-Michel Nébus
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Bergeault, Juan Mari Collantes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors de puissance

Circuits intégrés monolithiques hyperfréquence

Radiocommunications mobiles

Simulation, Méthodes de

Amplificateurs de puissance

Mots clés libres

Amplificateur RF de puissance

MMIC

LDMOS

Bande instantanée

RF power amplifier

MMIC

LDMOS

Instantaneous bandwidth

Résumé

Ces travaux de recherche concernent les amplificateurs RF de puissance pour stations de base. La technologie actuelle de transistor RF la plus compétitive, le LDMOS, est confrontée à l’augmentation constante du débit et à la concurrence d’autres technologies comme le HEMT GaN. Un autre challenge est l’intégration de l’adaptation de sortie réalisée en dehors du boîtier qui n’est plus compatible avec les futurs standards combinant jusqu’à soixante-quatre amplificateurs de puissance proches les uns des autres.Une première piste envisagée dans cette thèse est le substrat Si à haute résistivité. A partir de simulations puis de mesures sur plaques, l’amélioration du facteur de qualité des éléments passifs a été démontrée mais ces premières investigations ne permettent pas l’intégration de l’adaptation de sortie avec la technologie actuelle bien que les résultats soient très encourageants. Les challenges technologiques de ce nouveau substrat ont mené à considérer la structure différentielle pour les amplificateurs. En plus des avantages connus de cette configuration, nous avons montré que la conception d’un amplificateur de puissance différentiel montre une amélioration importante de la bande instantanée répondant au besoin d’un débit toujours plus élevé. Cette amélioration ne dégrade pas les autres performances en gain, rendement et puissance de sortie. Dans la continuité de cette thèse, les perspectives concernent la conception d’un amplificateur de puissance sur substrat SI à haute résistivité combinée à une structure différentielle qui pourrait permettre une avancée majeure sur toutes les performances tout en gardant l’avantage du faible coût du LDMOS Silicium en comparaison des autres substrats.

This research concerns the RF power amplifiers for base stations. The current most competitive technology of RF transistor, the LDMOS, faces the constantly increasing data rate and competition from other technologies such as GaN HEMT. Another challenge is the integration of the output matching made outside of the package which is not compatible with future standards combining up to sixty-four power amplifiers close to each other. A first track proposed in this thesis is the high resistivity Si substrate. From simulations and measurements on wafers, improved passive elements quality factor has been demonstrated but these initial investigations do not allow the integration of the output matching with the current technology, although the results are very encouraging. The technological challenges of this new substrate led to consider the differential structure for amplifiers. Besides to the known advantages of this configuration, we have shown that the design of a differential power amplifier shows a significant improvement in the instantaneous band width meeting the need for higher data rate. This improvement does not degrade other performance as gain, efficiency and output power. In continuation of this thesis, the perspective concerns the design of a power amplifier on a high resistivity Si substrate combined with a differential structure that could enable a major advance over all performance while keeping the advantage of low cost of LDMOS silicon compared to other substrates.