High efficiency S-Band vector power modulator design using GaN technology

par Abhijeet Dasgupta

Thèse de doctorat en Electronique des hautes fréquences, photonique et systèmes

Sous la direction de Jean-Michel Nébus et de Philippe Bouysse.

Soutenue le 27-04-2018

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le président du jury était Raymond Quéré.

Le jury était composé de Raymond Quéré, Nathalie Deltimple, Alain Peden, Olivier Jardel.

Les rapporteurs étaient Nathalie Deltimple, Alain Peden.

  • Titre traduit

    Conception d’un modulateur vectoriel de puissance à haut rendement, bande S, en technologie GaN


  • Résumé

    L’évolution des systèmes de télécommunications, liée à une demande sans cesse croissante en termes de débit et de volume de données, se concrétise par le développement de systèmes proposant des bandes passantes très larges, des modulations à très hautes efficacités spectrales, de la flexibilité en puissance et en fréquence d’émission. Par ailleurs, la mise en œuvre de ces dispositifs doit se faire avec un souci permanent d’économie d’énergie d’où la problématique récurrente de l’amplification de puissance RF qui consiste à allier au mieux rendement, linéarité et bande passante. L’architecture conventionnelle d’une chaine d’émission RF consiste dans une première étape à réaliser l’opération de modulation-conversion de fréquence (Modulateur IQ) puis dans une deuxième étape l’opération de conversion d’énergie DC-RF (Amplificateur de Puissance), ces deux étapes étant traditionnellement traitées de manière indépendante. L’objectif de ces travaux de thèse est de proposer une approche alternative qui consiste à combiner ces deux opérations dans une seule et même fonction : le modulateur vectoriel de puissance à haute efficacité énergétique. Le cœur du dispositif, conçu en technologie GaN, repose sur un circuit à deux étages de transistors HEMT permettant d’obtenir un gain en puissance variable en régime de saturation. Il est associé à un modulateur de polarisation multi-niveaux spécifique également en technologie GaN. Le dispositif réalisé a permis de générer directement, à une fréquence de 2.5 GHz, une modulation vectorielle 16QAM (100Msymb/s) de puissance moyenne 13 W, de puissance crête 25W avec un rendement global de 40% et une linéarité mesurée par un EVM à 5%.


  • Résumé

    The evolution of telecommunications systems, linked to a constantly increasing demand in terms of data rate and volume, leads to the development of systems offering very wide bandwidths, modulations with very high spectral efficiencies, increased power and frequency flexibilities in transmitters. Moreover, the implementation of such systems must be done with a permanent concern for energy saving, hence the recurring goal of the RF power amplification which is to combine the best efficiency, linearity and bandwidth. Conventional architectures of RF emitter front-ends consist in a first step in performing the frequency modulation-conversion operation (IQ Modulator) and then in a second step the DC-RF energy conversion operation (Power Amplifier), these two steps being usually managed independently. The aim of this thesis is to propose an alternative approach that consists in combining these two operations in only one function: a high efficiency vector power modulator. The core of the proposed system is based on a two-stage GaN HEMT circuit to obtain a variable power gain operating at saturation. It is associated with a specific multi-level bias modulator also design using GaN technology. The fabricated device generates, at a frequency of 2.5 GHz, a 16QAM modulation (100Msymb/s) with 13W average power, 25W peak power, with an overall efficiency of 40% and 5% EVM.


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