Conception d'un amplificateur de puissance Doherty large bande à base de coupleurs hybrides sur charge inductive aux fréquences 5G millimétriques en technologie CMOS 28nm FD-SOI

Design of a broadband Doherty power amplifier based on hybrid couplers on inductive load at 5G millimeter frequencies in 28nm FD-SOI CMOS technology

• Auteur / Autrice : Gwennaël Diverrez
• Direction : Eric Kerhervé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 06/06/2023
• 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 : Nathalie Deltimple
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Barataud, Sylvain Bourdel
• DOI : 10.70675/6e43e084z2e45z4a15zab17z4c79a594fa5a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amplificateurs de puissance

5G (téléphonie mobile)

Ondes

Systèmes adaptatifs (technologie)

Circuits à couplage de charge

Mots clés libres

Amplificateur de puissance

5G

Doherty

Coupleurs hybrides

Charge inductive

Ondes lentes

Reconfigurabilité

Power amplifier

5G

Doherty

Hybrid couplers

Inductive load

Slow-wave

Tunability

Résumé

Le déploiement du nouveau standard de communication 5G New Radio dans les bandes millimétriques (24,25 - 71 GHz) constitue un nouveau défi pour les émetteurs-récepteurs, en particulier les amplificateurs de puissance. En effet, la transmission de signaux modulés OFDM 64-QAM nécessite que l'amplificateur de puissance fonctionne sur de larges bandes passantes (>100 MHz) et soit capable de supporter des variations de ROS de 3:1, tout en maintenant une forte linéarité et une efficacité énergétique élevée jusqu'à de forts reculs en puissance (PAPR > 10 dB). Grâce à l'utilisation de réseaux d'antennes réduisant la puissance requise par amplificateur, les technologies silicium (CMOS) tendent à remplacer certaines technologies III-V, comme l'AsGa, dans la réalisation des différents émetteurs-récepteurs de la 5G.Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans ce contexte par la conception d'amplificateurs CMOS capables de répondre à tous ces critères conjointement. Pour ce faire, une topologie innovante d'amplificateur de puissance Doherty basée sur des coupleurs hybrides et une charge inductive est développée afin d'améliorer la bande passante théorique de l'architecture ainsi que sa robustesse aux variations du ROS. Cinq amplificateurs sont ensuite présentés au fil de la thèse avec des architectures équilibrée et Doherty. Enfin, la conception de coupleurs hybrides compacts et reconfigurables en fréquence est abordée. Le développement d'une topologie innovante de coupleur hybride reconfigurable grâce à une structure reposant sur le principe des lignes à ondes lentes permet notamment l'ajustement de la fréquence centrale du coupleur.

The deployment of the new 5G New Radio communication standard in the millimeter bands (24.25 - 71 GHz) is a new challenge for transceivers, especially power amplifiers. Indeed, the transmission of 64-QAM OFDM modulated signals requires the power amplifier to operate over wide bandwidths (> 100 MHz) and to be able to withstand VSWR variations of 3:1, while maintaining high linearity and energy efficiency up to deep power back-off (PAPR > 10 dB). Thanks to the use of antenna arrays that reduce the power required per amplifier, silicon technologies (CMOS) tend to replace some III-V technologies, such as GaAs, in the realization of the various 5G transceivers.The work of this thesis is part of this context and in particular the design of CMOS amplifiers able to meet all these criteria at once. To do so, an innovative Doherty power amplifier topology based on hybrid couplers and an inductive load is developed to improve the theoretical bandwidth of the architecture as well as its robustness to VSWR variations. Five amplifiers are then presented in the course of the thesis with balanced and Doherty architectures. Finally, the design of compact hybrid couplers and frequency reconfigurable hybrid couplers is discussed. The development of an innovative patented topology of reconfigurable hybrid coupler thanks to a structure based on the principle of slow wave lines allows in particular the adjustment of the central frequency of the coupler.