Conception d'un front-end avec amplificateur de puissance, VGA et déphaseur en technologie SiGe pour des applications 5G aux fréquences millimétriques

Design of a front-end with a power amplifier, a VGA and a phase shifter in SiGe technology for 5G applications at millimeter frequencies

• Auteur / Autrice : Anaïs Tourissaud
• Direction : Eric Kerhervé, Nathalie Deltimple
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• 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 : Christian Person
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Mathieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Audrey Martin, Didier Belot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés

Miroirs de courant

Déphaseurs

5G (téléphonie mobile)

Amplificateurs de puissance

Mots clés libres

Amplificateur de puissance

5G

Déphaseur

VGA

Formation de faisceaux

Frontend

Miroir de courant

Circuit intégré

Power amplifier

5G

Phase shifter

VGA

Beamforming

Front-end

Current mirror

Integrated circuit

Résumé

L'introduction de la 5G et l'amélioration des débits de données ont entraîné le déploiement de nouvelles plages de fréquences, notamment autour de 30 GHz, ce qui a réduit la portée des signaux. Pour remédier à cette limitation, le beamforming est une solution qui consiste à combiner divers faisceaux de signaux à l'aide des antennes d'émission situées en bout de chaîne. Le beamforming numérique implique l'utilisation de déphaseurs et de VGA (amplificateurs à gain variable) pour contrôler avec précision la phase et le gain des signaux, permettant ainsi de diriger le faisceau de manière précise. Le beamforming numérique offre d'importants avantages en améliorant considérablement l'efficacité spectrale du réseau, en augmentant le rapport signal/bruit et en permettant le multiplexage spatial, qui autorise le partage des mêmes ressources en temps et en fréquence entre des utilisateurs spatialement distants. L'objectif principal de cette thèse est de concevoir un système de beamforming numérique à la fois fiable et flexible, tout en maintenant une efficacité énergétique optimale en technologie SiGe 130nm BiCMOS. Pour ce faire, trois sous-circuits (déphaseur, VGA et PA) sont proposés, puis assemblés pour créer un module RF frontend capable de répondre aux exigences de la 5G, en collaboration avec UMS, dans le but de piloter un HPA GaN pour des applications de station de base.Pour obtenir les meilleures performances possibles dans un système de beamforming numérique, il est essentiel de pouvoir corriger les erreurs d'amplitude et de phase sur le réseau d'antennes. Le déphaseur proposé est de type RTPS passif, et le VGA est composé de transistors bipolaires, ce qui garantit une robustesse exceptionnelle en fonction du code binaire par rapport à l'impédance à l'entrée et à la sortie. La conception de ces circuits à des fréquences millimétriques est complexe en raison de la sensibilité accrue des composants aux interférences parasites. Le placement et la disposition des composants (layout) jouent un rôle essentiel dans la conception pour assurer le bon fonctionnement des circuits à de telles fréquences élevées. Les trois sous-circuits ont été soigneusement dimensionnés et dessinés dans le but d'optimiser leurs performances individuelles tout en gardant à l'esprit l'objectif du projet : co-concevoir une puce intégrée en SiGe 130 nm BiCMOS, permettant de diriger le faisceau (déphaseur), de réduire les lobes secondaires (VGA) et d'amplifier le signal (PA). Il convient de noter qu'une contrainte importante de cette technologie réside dans les phénomènes physiques des transistors. Pour y remédier, une solution de compensation d'avalanche a été proposée et expliquée dans ces travaux, à travers l'utilisation d'un miroir de courant, permettant de repousser l'avalanche et ainsi de garantir le bon fonctionnement de la puce même à des niveaux élevés de puissance de sortie. Les circuits ont été conçus sur le logiciel Cadence Virtuoso® avec l’outil Momentum.

The introduction of 5G and improved data rates have led to the deployment of new frequency ranges, particularly around 30 GHz, reducing signal range. To address this limitation, beamforming is a solution that involves combining various signal beams using the transmitting antennas at the end of the chain. Digital beamforming involves the use of phase shifters and VGAs (variable gain amplifiers) to precisely control the phase and gain of the signals, enabling the beam to be precisely steered.Digital beamforming offers significant advantages by dramatically improving the spectral efficiency of the network, increasing the signal-to-noise ratio and enabling spatial multiplexing, which allows the same time and frequency resources to be shared between spatially distant users.The main aim of this thesis is to design a digital beamforming system that is both reliable and flexible, while maintaining optimum energy efficiency in 130nm SiGe BiCMOS technology. To this end, three sub-circuits (phase shifter, VGA and PA) are proposed and then assembled to create an RF front-end module capable of meeting 5G requirements, in collaboration with UMS, with the aim of driving a GaN HPA for base station applications.To achieve the best possible performance in a digital beamforming system, it is essential to be able to correct amplitude and phase errors on the antenna array. The proposed phase shifter is of the passive RTPS type, and the VGA is composed of bipolar transistors, guaranteeing exceptional robustness as a function of binary code in relation to input and output impedance. The design of these circuits at millimeter frequencies is complex due to the increased sensitivity of the components to parasitic interference. Component placement and layout play an essential role in the design to ensure proper circuit operation at such high frequencies.The three sub-circuits were carefully dimensioned and designed to optimize their individual performances, while keeping in mind the project objective: to co-design an integrated 130 nm SiGe BiCMOS chip, enabling beam steering (phase shifter), sidelobe reduction (VGA) and signal amplification (PA). It should be noted that a major constraint of this technology lies in the physical phenomenon of the transistors. To remedy this, an avalanche compensation solution has been proposed and explained in this work, through the use of a current mirror, enabling the avalanche to be repelled and thus guaranteeing the correct operation of the chip even at high output power levels.