Conception d'un amplificateur de puissance Doherty large bande pour stations de base 5G massive MiMo

Broadband Doherty power amplifier design for 5G massive MiMo base stations

• Auteur / Autrice : Manuel Cavarroc
• Direction : Claude Duvanaud, Smaïl Bachir, Olivier Lembeye
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Inscription en doctorat le 20/04/2020
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : NXP Semiconductors

Mots clés

Mots clés libres

5g

Amplificateur de puissance

Amplificateur Doherty large bande

Modulation de charge active

Compensation de phase

Linéarisation

Dpd

GaN HEMT

5g

Power amplifier

Broadband Doherty power amplifier

Load modulation

Phase compensation

Linearization

Dpd

GaN HEMT

Résumé

Le déploiement du réseau cellulaire 5G entraine une multiplication du nombre de canaux de transmissions et des bandes de fréquences exploitées par les opérateurs de téléphonie mobile. La conception d'une chaîne d'émission large bande pour le transmetteur RF qui équipe les stations de base devient alors un impératif pour contrebalancer le coût matériel et énergétique lié à la prolifération des relais de connexion. Au sein du transmetteur radio, l'amplificateur de puissance est le composant majoritairement responsable des performances énergétiques de la station de base. De plus, celui-ci est amené à amplifier des signaux dont l'enveloppe temporelle varie fortement, l'obligeant à opérer en recul de ses performances optimales. Dans ce contexte, l'architecture d'amplification majoritairement employée est l'architecture Doherty, qui présente l'intérêt de maintenir un rendement élevé à des niveaux importants de recul, tout en étant corrigible avec des boucles de pré-distorsion numérique (DPD), mais qui est par nature limitée en bande passante. Ces travaux de thèse montrent comment une surcompensation de la déviation de phase en entrée, soit la manipulation du délai de groupe relatif, permet d'étendre la bande passante du circuit de recombinaison de sortie d'un amplificateur Doherty. À partir des conclusions de l'étude, un démonstrateur d'étage final est réalisé en utilisant la technologie de transistors GaN interne à NXP. L'ensemble du circuit est implémenté sur une plateforme module hybride ayant le facteur de forme d'un composant LGA 20x16 mm. L'amplificateur couvre les bandes FDD allant de 1.8 à 2.7 GHz soit 40% de bande passante relative. La caractérisation complète du démonstrateur montre des performances Doherty ultra large bande à l'état de l'art venant ainsi valider la méthodologie de conception développée au cours de ces travaux. L'amplificateur délivre une puissance crête de 50 dBm (100 W) sur toute la bande de fréquence. Dans une condition d'excitation d'entrée de type signal modulé, à une puissance moyenne de 42 dBm (8 dB OBO), le rendement de drain est compris entre 47-50% avec un gain moyen de 14 dB. La linéarisation est ensuite étudiée grâce à l'emploi de techniques de pré-distorsion numérique. Pour des scénarios d'agrégation de porteuses intra-bande, l'amplificateur est linéarisé à des niveaux de corrections inférieurs à -56 dBc dans les canaux adjacents. Enfin, des scénarios d'agrégation de porteuses inter-bande allant de 250 MHz à 885 MHz de bande passante instantanée montrent des niveaux de corrections atteints entre -56 dBc et -41 dBc dans les canaux adjacents et un rendement de drain linéarisé supérieur à 45%.

5G cellular network deployment is leading to an increase in the number of transmission channels and frequency bands used by mobile operators. Broadband transmit/receive channel design for the RF transmitter that equips base stations then becomes an imperative to counterbalance the increasing material and energy costs due to the cell site proliferation. Within the radio transmitter, the power amplifier is the most responsible component of the base station's energy performance. Moreover, it is required to amplify signals whose time envelope varies greatly, forcening it to operate backed-off to its optimum performance. In this context, the most commonly used amplifier architecture is the Doherty power amplifier, which has the advantage of maintaining high efficiency at high output back-off levels, while being linearizable with digital pre-distortion (DPD) loops, but which is inherently limited in bandwidth. This thesis shows how overcompensating for input phase deviation, i.e manipulating the relative group delay, can extend the bandwidth of a Doherty amplifier's output combining circuit. Based on the findings of the study, a final-stage demonstrator is produced using NXP's in-house GaN transistor technology. The circuit is implemented on a multi-chip hybrid module platform with a 20x16 mm LGA device form factor. Doherty power amplifier covers the FDD bands from 1.8 to 2.7 GHz, which represent 40% fractional bandwidth. Full characterization of the demonstrator shows state-of-the-art ultra-wideband Doherty performance, validating the design methodology developed in this thesis work. The amplifier delivers 50 dBm (100 W) peak power over the entire frequency band. In a modulated signal input stimulus condition, at an average power of 42 dBm (8dB OBO), drain efficiency is 47-50% with an average gain of 14 dB. Linearization of the demonstrator is then studied using digital pre-distortion techniques. For in-band carrier aggregation scenarios, the amplifier is linearized to corrected levels below -56 dBc in adjacent channels. Finally, inter-band carrier aggregation scenarios ranging from 250 MHz to 885 MHz instantaneous bandwidth show correction levels achieved between -56 dBc and -41 dBc in adjacent channels, and a report drain efficiency in excess of 45%.