Circuit d'amplification Doherty intégré large bande pour applications radio cellulaires de puissance

Wideband integrated Doherty amplification circuit for cellular radio power applications

• Auteur / Autrice : Hao Zhang
• Direction : Claude Duvanaud, Smaïl Bachir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Microélectronique, Nanoélectronique et Micro-ondes
• Date : Soutenance le 09/04/2019
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM - XLIM / XLIM
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Nébus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Duvanaud, Smaïl Bachir, Cédric Cassan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Dambrine, Thierry Parra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés monolithiques hyperfréquence

Transistors MOSFET

Amplificateurs de puissance

Linéarisation (électronique)

Mots clés libres

Amplificateur de puissance RF

Télécommunication radio cellulaire

Doherty intégré large-Bande

Mmic

Ldmos

Cds absorption

Linéarité

Largeur de bande instantanée.

RF power amplifier

Cellular radio telecommunication

Wideband integrated Doherty

Mmic

Ldmos

Cds absorption

Linearity

Instantaneous signal bandwidth.

Résumé

Ces travaux de recherche concernent la conception, la réalisation et la mesure des circuits d’amplification Doherty LDMOS intégrés large-bande pour stations de base, nécessaires au développement de la 5G. Suite à la recherche des techniques pour l’amélioration du rendement électrique pour des signaux à forte dynamique d’amplitude et les possibilités d’intégration, la technique Doherty a été choisie. Des études sur les structures Doherty à deux puis trois voies montrent que l’amélioration de rendement pourra être renforcée et étendue par l’ajout d’un troisième étage avec des tailles de transistors calculées en prenant en compte un fonctionnement en classe C des étages auxiliaires. Des limitations d’utilisation de la technique Doherty sont montrées par la prise en compte des différentes non-linéarités des transistors LDMOS. La recherche des architectures large-bandes montre que la technique d’absorption du CdS et l’utilisation de circuits de répartition de type mixte en entrée présentent des avantages pour l’intégration. A partir des différentes études, des amplificateurs de puissance Doherty MMIC à trois voies ont été réalisés avec un ratio d’asymétrie de 1 :3 :3 dans la bande de 1805 MHz à 2170 MHz. Les performances expérimentales montrent les potentialités du Doherty et notamment une nette amélioration du rendement sur toute la bande de fréquence. Des considérations spécifiques d’adaptation sont présentées dans le but de réduire les produits de distorsions d’ordre 3, 10 et 12 (IMD 10 /12). Les mesures de linéarité à différentes largeurs de bande instantanées sont très encourageantes et valident la nouvelle architecture du Doherty à trois voies asymétriques.

This work presents the design, realization and measurement result of integrated broadband Doherty amplification circuits for base stations, required for 5G. Initially, based on the research for techniques to improve electrical efficiency for signals with high dynamic range, the Doherty technique is chosen to continue the work. Studies on different Doherty architectures showed that performance can be improved and extended by adding a third stage (3-way Doherty) with calculated auxiliary transistors’ sizes for which are operated in class C mode. Limitations on the practical use of the Doherty technique is demonstrated by the considerations of various non linearities of the LDMOS transistors. The research of wideband architectures shows simultaneous advantages of integration and broadband capability by the CdS absorption technique and the use of mixed type of input splitters. Based on the results of various studies, three-way Doherty MMIC power amplifiers were designed and realized using the CdS absorption technique with an asymmetry ratio of 1 : 3 : 3 in the band of 1805 MHz to 2170 MHz. Experimental performances have shown the potentialities of the 3-way Doherty and a clear efficiency improvement over the entire frequency band. Specific wideband operating conditions are presented to reduce distortion products of third (IMD 3), 10th and 12th (IMD 10/12). The linearity measurements at different instantaneous bandwidths are very encouraging and validate the new asymmetric three-way Doherty architecture.