Amplificateur de puissance pour réseaux phasés d’antenne 5G multi-bande en technologie ST CMOS065SOIMMW

Power amplifiers for 5G phased arrays in ST CMOS065SOIMMW technology

• Auteur / Autrice : Thomas Capelli
• Direction : Nathalie Deltimple, Anthony Ghiotto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 24/05/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Eric Kerhervé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Deltimple, Anthony Ghiotto, Eric Kerhervé, Denis Barataud, Tân-Phu Vuong, Florence Podevin, Antonio Augusto Lisboa de Souza, Philippe Cathelin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Denis Barataud, Tân-Phu Vuong

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théories non linéaires

Amplificateurs de puissance

Antennes-réseaux à commande de phase

Technologie 5G

Mots clés libres

5G

Réseaux phasés d’antenne

Amplificateur de puissance

Non-linearités

Variation de charge active

5G

Phase arrays

Power Amplifier

Non-linearities

Active load pull

Résumé

Les télécommunications mobiles, afin de subvenir à leurs insatiables besoins, trouvent des moyens d’améliorer leurs capacités depuis maintenant plus de trente ans. En 2019 la cinquième génération (5G) est à l’épreuve afin de garantir une connexion non seulement au marché des téléphones mobiles toujours croissant, mais aussi au vaste univers de l’internet des objets (IoT). Afin de pouvoir remplir ses objectifs, la 5G marque une expansion sans précédent en matière de bandes de fréquences utilisées. En effet, des bandes jusqu’à 60 GHz et plus font partie des ambitions du réseau et cela implique de radicaux changements technologiques qui impactent toute l’électronique dédiée. Nouvelles fréquences plus élevées, pertes de propagation dans l’air plus élevées et niveau d’exigences relevé, les réseaux phasés d’antenne sont introduits pour pallier à toutes ces contraintes et imposent une toute nouvelle architecture système et une interface inédite pour les front-end RF des communications mobiles.Dans ce travail, nous proposons donc une analyse de ces réseaux d’antennes phasés et des contraintes qu’ils représentent en particulier pour les amplificateurs de puissance (PA), tel que la variation de charge parasite et le comportement des composantes générées par le comportement non-linéraire de ces derniers. Une évaluation de la variation de charge active due aux différents couplages existants dans les réseaux d’antennes est proposée ainsi que de son impact sur la performance des amplificateurs notamment en termes d’efficacité (PAE). Le comportement des non-linéarités telles que les produits d’intermodulation du troisième ordre (IMD3) est montré dans les réseaux d’antennes. Un concept utilisant le principe de génération et d’orientation de faisceau des réseaux d’antennes est proposé, permettant de relâcher les contraintes de linéarité des amplificateurs 5G et ainsi de permettre une réduction de leur consommation d’énergie. Une implémentation d’un PA utilisant ce principe est démontrée en technologie ST CMOS 65 nm PD-SOI à 28 GHz.

Mobile telecommunications, in order to support its insatiable needs, has been finding ways to improve its capabilities for over thirty years now. In 2019 the fifth generation (5G) is on trial to ensure connection not only to the ever-growing cell phone market, but also to the vast world of the Internet of Things (IoT). In order to meet its goals, 5G marks an unprecedented expansion in the frequency bands used. Indeed, bands up to 60 GHz and beyond are part of the network's ambitions and this implies radical technological changes that impact all dedicated electronics. New higher frequencies, higher propagation losses in the air, and higher requirements, antenna phased arrays are introduced to overcome all these constraints and impose a completely new system architecture and interface for the RF front-end of mobile communications.In this work, we propose an analysis of these phased antenna arrays and the constraints they represent particularly for power amplifiers (PA), such as the parasitic load variation and the behavior of the components generated by the non-linear behavior of the latter. An evaluation of the active load variation due to the different coupling existing in the antenna networks is proposed as well as its impact on the performance of the amplifiers, particularly in terms of power added efficiency (PAE). The behavior of nonlinearities such as third-order intermodulation products (IMD3) is shown in antenna arrays. A concept using the principle of beam generation and steering of antenna arrays is proposed, allowing for relaxing the linearity constraints of 5G amplifiers and thus allowing a reduction of their power consumption. An implementation of an AP using this principle is demonstrated in ST CMOS 65 nm PD-SOI technology at 28 GHz