Amélioration de la bande passante d'amplificateurs de puissance GaN pour applications de télécommunication

Bandwidth enhancement of GaN-based high-efficiency power amplifiers for telecommunication applications

• Auteur / Autrice : Abdulrazaq Abdulaziz
• Direction : Claude Duvanaud, Smaïl Bachir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, microélectronique et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique, matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM (Brive, Limoges, Poitiers ; 2006-....) - XLIM / XLIM
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées (1896-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Hugues Paillol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Cavarroc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yide Wang, Joaquin Portilla
• DOI : 10.70675/f6b6c447zcb49z424fz8e55z12f2beb37bfe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amplificateurs haute fréquence

Radiofréquences

Amplificateurs à transistors

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Amplificateur de puissance RF

Structure Doherty

Transistor GaN

Réseau d'adaptation d'entrée et de sortie

Méthodes d'optimisation

Rendement

Bande passante

RF power amplifier

Doherty structure

GaN transistor

Input and output matching networks

Optimization method

Power added efficiency

Bandwidth

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse consiste en la conception et l'analyse de configurations conventionnelles et de type Doherty d’amplificateurs de puissance en utilisant des méthodes analytiques et d’optimisation afin de déterminer les éléments des réseaux d'adaptation. Etant donné le rôle important d'un amplificateur de puissance RF pour assurer une station d’émission très puissante et efficace, la conception des réseaux d'adaptation, d’entrée et sortie des transistors, est un élément clé. L'objectif de cette thèse est de proposer une méthode de conception d’amplificateurs de puissance RF pour améliorer les performances en termes de rendement en puissance ajoutée (PAE), de gain de puissance et de puissance de sortie sur une grande bande passante de l'amplificateur de puissance pour les stations de base. Tout d'abord, la conception des réseaux d'adaptation d'entrée et de sortie passe-bas à section simple, Pi, T, double et triple de l'amplificateur de puissance RF est présentée. Des méthodes d’optimisation sont évaluées pour déterminer les valeurs des éléments des réseaux d'adaptation pour le transistor de puissance RF de type GaN, utilisé à 2.5 GHz. Dans la dernière partie, les architectures d’amplificateur Doherty DPA sont testées en termes de rendement pour des conditions de fonctionnement en recul de puissance ou à pleine puissance. Nous analysons le comportement en fréquence des DPA conventionnel et inversé en ajustant les réseaux de sortie, pour un fonctionnement de 2 à 3 GHz. Par l’application d’outils d’optimisation des circuits d’adaptation de sortie et de la pente de phase entre les amplificateurs, il est possible d’améliorer la bande passante de l’amplificateur Doherty. Les résultats montrent que la réponse en fréquence du DPA inversé est moins dispersive que dans le cas du DPA conventionnel. Nous proposons alors une méthode de conception d’amplificateur Doherty inverse, basée sur l’optimisation de différents paramètres de la structure. Enfin, une simulation de type équilibrage harmonique a été réalisée sur les circuits PA Doherty proposés pour une puissance crête d'environ 47 dBm. Les résultats de la simulation ont confirmé que les performances du DPA inverse, en termes de rendement en puissance ajoutée PAE et de gain de puissance à la fois à la puissance de sortie maximale et à 6 dB de recul, sont maintenues à fort niveau sur une plus grande bande passante que dans le cas du DPA conventionnel. La PAE de l'amplificateur Doherty inversé est comprise entre 52,5 % et 57 % à la puissance de sortie maximale puis 50,8 % à 53,5 % avec un recul de 6 dB, dans la gamme de fréquence de 2 à 3 GHz.

The work presented in this thesis focuses on the design and analysis of single-ended and Doherty power amplifier configurations by using analytical and optimization methods to determine the values of lumped element-based matching networks. Given the important role of an RF power amplifier in ensuring a powerful and efficient base transceiver station, the selection and adjustment of the input and output matching networks of the transistor is a key point. The objective of this dissertation is to propose a design method for an RF power amplifier circuit to enhance the bandwidth performance of the power amplifier in the base transceiver station, specifically in terms of power added efficiency (PAE), power gain, and output power. Firstly, the design of the single, Pi, T, dual, and triple sections lowpass input and output matching networks to the RF power amplifier is presented. Optimization methods are evaluated to find the element values of the matching networks for a GaN-based RF power transistor operating at 2.5 GHz. In the last part, we examine the efficiency of the Doherty Power Amplifier (DPA) for base stations when operating at backoff power levels and at full power. The design, analysis, and simulation of the frequency behaviour of conventional and inverted DPA architectures in the frequency range of 2 GHz to 3 GHz using a GaN-based FET transistor are presented. By adjusting and optimizing their output networks and the phase slope between the two amplifiers, it is possible to improve the bandwidth of the DPA. We find that the inverted DPA offers better bandwidth performance. Based on this finding, we propose a design method for the inverted DPA, which involves adjusting various parameters using an optimization technique. Finally, we performed a harmonic balance simulation on both the global conventional and the proposed inverted Doherty PA circuits, which have a peak power of about 47 dBm. The simulated results confirm that the frequency response of the proposed inverted DPA, in terms of the power added efficiency (PAE) and power gain at full and 6 dB output back-off power levels, is less dispersive compared to the conventional DPA case. The performance of the inverted DPA achieved a PAE of 52.5% to 57% at the maximum output power and 50.8% to 53.5% at the 6 dB output power back-off (OBO) levels, in the frequency range of 2 to 3 GHz.