Harmonic tuned GaN-based power amplifiers with enhanced efficiency, bandwidth and thermal management

Résumé

Les amplificateurs de puissance (PA) à large bande et à haute efficacité sont de plus en plus demandés pour les nouveaux standards de communication sans fil afin de répondre aux exigences d'efficacité spectrale élevée et d'intégration dans les modules frontaux (FEM) et les systèmes d'antennes actives à entrées multiples et sorties multiples (MIMO). Les amplificateurs de puissance modernes sont donc développés pour répondre aux exigences d'une bande passante opérationnelle étendue avec des débits de données de pointe accrus, mais ils souffrent toujours d'inefficacités résultant de réseaux d'adaptation compliqués et d'une grande dissipation de puissance dans les dispositifs actifs. Ces facteurs peuvent dégrader le rendement énergétique et la linéarité et augmenter la densité thermique, en particulier pour les amplificateurs de puissance à puissance élevée (HPA), ce qui affecte les performances et la fiabilité globales des émetteurs. Pour relever ces défis, une approche à deux volets est adoptée dans cette thèse : (i) des nouvelles techniques pour augmenter l'efficacité énergétique et réduire la charge thermique sur de larges bandes passantes sont proposées et (ii) des techniques de gestion thermique efficaces sont étudiées. Tout d'abord, pour améliorer l'efficacité énergétique tout en augmentant la bande passante, de nouveaux réglages d'impédance harmonique à l'entrée du dispositif sont développés pour deux classes d'opération distinctes : la classe GF inverse en mode continu (CCGF-1) et la classe GF continue (CCGF). Pour le CCGF-1, nous proposons une nouvelle expression du courant de drain à forme fermée pour modéliser les formes d'onde du courant du PA dans le domaine temporel. Nous utilisons ensuite cette expression analytique pour exploiter la manipulation de l'impédance harmonique de la seconde source afin d'étendre l'espace de conception du circuit d'adaptation de sortie de manière résistive. Cette approche permet de réduire la complexité de la conception du réseau d'adaptation de charge aux fréquences fondamentales et harmoniques et d'obtenir une plus grande largeur de bande tout en améliorant simultanément l'efficacité du drain à travers les nouveaux points d'admittance optimaux. Comme preuve de concept, un PA CCGF-1 à large bande est conçu, fabriqué et testé. Les résultats montrent une efficacité de drain de plus de 70% de 3.05 GHz à 3.85GHz, un gain entre 11 et 12.4 dB avec une planéité de gain de ± 0.7 dB et une puissance de sortie à 3-dB de compression de gain entre 39.9 et 41.4 dBm sur la même bande de fréquence. Pour le CCGF, la deuxième harmonique de source est optimisée de manière similaire pour aplanir la réponse en fréquence de l'amplificateur de puissance sur une large gamme de fréquences. De plus, un nouvel espace de conception est exploré en considérant les effets du contrôle de la non-linéarité d'entrée de la capacité grillesource (Cgs) sur les formes d'onde du courant de drain sous des formes d'onde de tension de drain en mode continu. Contrairement au mode CCGF-1 où un dépassement de courant peut se produire, les formes d'onde de courant de drain obtenues en mode CCGF ne dépassent pas le courant de drain maximal. Étant donné que le dépassement de courant peut affecter négativement la fiabilité du dispositif dans le temps tout en augmentant simultanément le chevauchement avec la forme d'onde de tension en mode continu, évitant le chevauchement en passant au mode CCGF atténuera ces problèmes. Un deuxième prototype de preuve de concept d'un PA CCGF est également conçu, fabriqué et testé. Les mesures montrent une réponse en fréquence plate de 3,3 GHz à 4,3 GHz avec des variations inférieures à ± 0,4 dB pour une puissance de sortie de 40 dBm, et ± 2 % pour une efficacité de drain de 66 %. La gestion thermique efficace des HPA est entreprise à travers la conception, la fabrication, l'intégration et le test d'un amplificateur en bande C de 40 W. Deux approches alternatives sont étudiées: (i) l'intégration d'une conception de PA à puce unique MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) existante, où l'adaptation et la combinaison de puissance sont effectuées sur la puce, sur un boîtier de dissipateur thermique et (ii) la conception de PA hybride où les barres de puissance MMIC de plus faible puissance sont adaptées et combinées hors puce en utilisant la technologie multicouche LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) à faibles pertes et montées dans une structure de gestion thermique optimisée. Il est démontré qu'en utilisant des intercalaires hautement thermoconducteurs avec un coefficient d'expansion thermique correctement adapté, à savoir le cuivre-graphite, ainsi que des cavités dans le LTCC et une base en cuivre, l'approche hybride apporte des améliorations significatives dans la gestion thermique. En effet, les images thermiques de la surface de la puce montrent une amélioration de 10 à 15 °C de la gestion thermique de l'amplificateur de puissance hybride par rapport à l'amplificateur de puissance MMIC au même niveau de puissance de sortie saturée.

Date	10 déc. 2021
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ammar B. Kouki (Directeur(-trice))