Analyse et conception d'amplificateurs de puissance équilibrés à charge modulée

Analysis and Design of Load Modulated Balanced Power Amplifiers

• Auteur / Autrice : Mohammad Moussa
• Direction : Dominique Morche, Ayssar Serhan, Alexandre Giry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 03/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Roblin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Barataud, Thierry Parra

Mots clés

Mots clés contrôlés

5G (téléphonie mobile)

Circuits intégrés monolithiques hyperfréquence

Nitrure de gallium

Amplificateurs de puissance

Mots clés libres

Amplificateur de puissance

Modulation de la charge

Mmic

GaN

5g

Doherty

Power Amplifier

Load Modulation

Mmic

GaN

5g

Doherty

Résumé

La demande croissante de débits élevés et de capacité réseau dans les systèmes de cinquième génération (5G) nécessite l'utilisation de signaux modulés complexes. Ces signaux présentent des rapports crête-moyenne de puissance élevés (PAPR) et nécessitent un fort recul par rapport à la puissance saturée pour atteindre la linéarité requise du système. Pour transmettre de tels signaux modulés avec une consommation d'énergie réduite, l'amplificateur de puissance (PA) dans un système de transceiver doit atteindre une haute efficacité sur des niveaux de puissance de recul importants. Cependant, ce niveau d'efficacité est inatteignable avec les architectures PA classiques (Classe A/AB/C...). Les LMPA tels que le Doherty PA, l’amplificateur équilibré modulé par la charge (LMBA), les amplificateurs modulés par la charge basés sur un circulateur (CLMA) et les Outphasing PAs se sont révélés être des solutions prometteuses pour offrir une meilleure efficacité sur des plages de puissances avec recul élevé. Ces architectures sont composées de plusieurs dispositifs actifs qui ajustent dynamiquement leur impédance en fonction d'injections de puissance simultanées. En conséquence, les LMPA sont bien adaptés aux systèmes 5G où existent des signaux avec des PAPR élevés. De plus, les transceivers 5G doivent fonctionner sur plusieurs bandes de fréquences, ce qui augmente la complexité de la gestion du compromis entre efficacité et bande passante dans les LMPA 5G.Cette thèse commence par une analyse analytique approfondie et une comparaison de quatre grandes catégories d'architectures LMPA. La première catégorie se concentre sur l’amplificateur Doherty à 2 voies, la deuxième sur le Doherty à 3 voies, la troisième sur les CLMA et la quatrième sur le LMBA. Pour les amplificateurs Doherty à 2 et 3 voies, l'analyse commence par réexaminer les combiners bien connus, en particulier les combiners basés sur des lignes de transmission. Contrairement aux travaux précédents, notre analyse a démontré que l’impédance caractéristique de ces lignes de transmission peut être librement choisie par le concepteur pour tout rapport puissance de crête-puissance de recul (PBPR) et toute tension d'alimentation, créant ainsi un espace de conception plus généralisé pour les amplificateurs Doherty modulés par la charge. La même méthodologie a été utilisée dans l'analyse de toutes les architectures mentionnées, où nous comparons les plages de recul et fournissons un résumé des paramètres métriques nécessaires à la conception de chacune. Avoir toutes ces informations rassemblées en un seul endroit facilite non seulement la comparaison des différentes architectures, mais améliore également l'accessibilité et l'utilisation pour les concepteurs.Suite à cette analyse, la thèse présente une nouvelle méthodologie pour la conception d'un amplificateur équilibré modulé par la charge séquentiel à large bande et à entrée unique (S-LMBA), une variante dérivée du LMBA. Cette approche a été validée expérimentalement à travers un prototype de preuve de concept sur PCB en utilisant des transistors commerciaux. De plus, cette méthodologie a été appliquée pour concevoir un S-LMBA dans la bande Ka de la 5G-FR2 (24-28 GHz) sur la technologie HEMT en GaN/SiC de 150 nm. Enfin, cette thèse introduit le concept d'isolation active dans un réseau passif à 4 ports. Elle dérive les relations de courant nécessaires aux ports d'entrée d'un réseau passif à 4 ports généralisé pour obtenir un port isolé, similaire à l'architecture LMBA conventionnelle où le dispositif auxiliaire ne subit aucune modulation de charge. Elle démontre que les combiners existant dans la littérature précédente sur l'architecture LMBA sont des cas spécifiques dans un réseau passif à 4 ports généralisé. Cela facilite non seulement le développement de LMBAs plus compacts, mais ouvre également la voie à l'exploration de l'analyse de bande passante et de l'extension des plages de puissance de recul au sein de ces architectures.

The increasing demand for high data rates and network capacity in fifth generation (5G) systems requires the use of complex modulated signals. These signals exhibit high peak-to-average power ratios (PAPR) and require high back-off from the saturated power to achieve the required system linearity. To transmit such modulated signals with reduced power consumption, the power amplifier (PA) within a transceiver system needs to achieve high efficiency over large back-off power levels. However, this level of efficiency is unattainable with classical PA architectures (Class A, B, AB, C, etc.). Consequently, load modulated power amplifiers (LMPAs) has emerged as promising candidates to address these challenges. LMPAs such as Doherty PA, Load Modulated Balanced Amplifier (LMBA), circulator-based load modulated amplifiers (CLMAs) and Outphasing PAs served as promising candidates to offer improved efficiency over high back-off power ranges. These architectures consist of several active devices that dynamically adjust their impedance based on simultaneous power injections. As a result, LMPAs are well suited for 5G systems where signals with high PAPR exist. In addition, 5G transceivers must operate across multiple frequency bands, which increases the complexity of managing the efficiency-bandwidth trade-off in 5G LMPAs also.In this thesis, we start by presenting an in-depth analytical analysis and comparison of four main categories of LMPA architectures. The first category focuses on the 2-way Doherty PA architecture, the second on the 3-way Doherty PA, the third on CLMAs and the fourth on LMBAs. For the 2-way and 3-way Doherty PAs, the analysis began by re-examining well known combiners, specifically transmission-line based combiners. Unlike previous works, our analysis demonstrated that the characteristic impedance of these transmission lines can be freely selected by the designer for any peak-to-back-off-power ratio (PBPR) and supply voltage, thereby creating a more generalized design space for load modulated Doherty PAs. The same analytical methodology was used in the analysis of all the previously mentioned architecture where we compare back-off ranges and provide a summary of the required metric parameters required for the design of each. Having all this information together in one place not only facilitates the comparison of different architectures, but also enhances the ease of access and usability for the designers.Following the analysis of these four categories, this thesis introduces a new methodology for the design of a wideband single-input Sequential Load Modulated Balanced Amplifier (S-LMBA), which is one of the LMBA derived variants. This approach was experimentally validated through a proof-of-concept prototype on PCB using commercial transistors. Furthermore, this methodology was applied to design a S-LMBA in the 5G-FR2 Ka-band (24-28GHz) on 150nm GaN/SiC high-electron-mobility-transistor (HEMT) technology. Finally, this thesis introduces the concept of active isolation in passive 4-port network. It derives the current relations needed at the input ports of a generalized 4-port passive network to achieve an isolated port, similar to the conventional LMBA architecture where the auxiliary device undergoes no load modulation. It demonstrates that the combiners existing in the previous literature within the LMBA architecture, are specific cases within a generalized 4- port passive network. This not only facilitates the development of more compact LMBAs but also opens more space for exploring bandwidth analysis and back-off power ranges extension within these architectures.