Outphasing mobile communications transmitter

Abstract

This dissertation proposes the implementation of an Outphasing PA architecture for mobile communication transmitters. In this work, the main focus is the development of a functional prototype that demonstrates power efficiency improvements at high power back-off, when compared to traditional configurations. The proposed architecture suggests the signal component separator to be implemented in the digital domain, allow the device to become more flexible. Also, unlike the traditional Outphasing, the input power at the branches is not constant: it can change freely to benefit PAE at higher OPBO. The amplifier was implemented using two 10 W GaN HEMT and it obtained a maximum power between 43.42 dBm and 43.73 dBm in bandwidth of [2.25;2.40] GHz (its operational bandwidth). The drain efficiency, the maximum values vary between 64.3 % and 58.4 %, and the maximum PAE between 55.9 % and 58.4 %. For 2.30 GHz, its best operational frequency, PAE is higher than 50 % until -6.0 dB of OPBO. To be able to implement this configuration on a mobile communication system in a less demanding manner for the digital processing unit, the usage of polynomial equations, that describe the power of the input signal into the necessary branch signals, has been studied in this document. In the performed tests, it was observed that the power and the efficiency performances of the PA does not substantially change, even with the usage of low order polynomials. Yet, low order polynomials may compromise the linearity of the amplifier. When tested with a LTE signal with PAPR of 10.33 dB or with a 4-carrier GSM signal with PAPR of 6.2 dB, both with a bandwidth of 10 MHz, the amplifier shows considerable amounts of distortion. That is demonstrated in the three evaluated performance metrics: AM-AM; AM-PM; and ACLR. The average efficiency levels reach 50 % for the GSM signal and 36 % for the LTE one. After digital predistortion was applied, an improvement of the evaluated metric was observed. This scenario was tested for the LTE signal, using the 7th order polynomial in the signal component separator. The ACLR lowered from -21 dBc to -56 dBc; the AM-AM variation from 2.3 dB to 0.6 dB; and the AM-PM variation from 61.0o to 3.2o. This while the average efficiency increased from 30 % to 36 %. In the end, the objectives of this work were concluded, and the produced prototype can equate to some of the state-of-the-art reference works.

Esta dissertação propõe a implementação de uma aquitectura Outphasing de amplificador de potência para transmissores de comunicações móveis. O principal foco do trabalho é a obtenção de um protótipo funcional, que demonstre melhorias em termos de rendimento de potência em regime de back-off, em relação a outras configurações tradicionais. A arquitectura proposta sugere que o separador de sinais seja implementado no domínio digital, conferindo maior versatilidade ao dispositivo. Para alem disso, ao contrario do Outphasing tradicional, a potência dos sinais de entrada dos ramos do PA não e constante: poderá variar livremente para beneficiar o PAE a maiores OPBOs. O amplificador foi implementado usando dois GaN HEMT de 10 W e obteve uma potência máxima entre 43.42 dBm e 43.73 dBm na banda [2.25; 2.40] GHz (a sua banda de operação). Desta forma o amplificador possui 6.5 % de largura de banda. Em termos de rendimento de dreno, os valores máximos variam entre 64.3%e 68.7%, enquanto que o PAE máximo varia entre 55.9%e 58.4%. Para 2.3GHz, a sua melhor frequência de operação, o PAE mantém-se superior a 50 % ate -6.0 dB de OPBO. Para poder implementar esta configuração num sistema de comunicações móveis de forma menos exigente para a unidade de processamento digital, foi estudada a implementação do separador de sinais através de equações polinomiais que traduzam os sinais de entrada do sistema nos sinais necessários para os ramos. Nos testes feitos, foi possível verificar que o desempenho do PA, em termos de potência e eficiência, não varia substancialmente, mesmo quando a ordem do polinómio é baixa. No entanto, esta redução da ordem do polinómio pode comprometer a linearidade do amplificador. Quando testado com um sinal LTE com 10.33 dB de PAPR ou com um sinal GSM de 4 portadoras com 6.2 dB, ambos com 10 MHz de largura de banda, o amplificador demonstra níveis de distorção consideráveis. Isso é demonstrado nas três métricas de desempenho avaliadas: AM-AM; AM- PM; e ACLR. Os níveis de eficiência média atingem os 50 % para o sinal GSM e 36% para o sinal LTE. Após a utilização de pré-distorção, o amplificador melhorou as métricas avaliadas. Este cenário foi testado para o sinal LTE e utilizando um polinómio de 7a ordem no separador de sinais. O ACLR baixou de -21 dBc para -56 dBc; a variação AM-AM de 2.3 dB para 0.6 dB; e a variação AM-PM de 61.0o para 3.2o. Isto enquanto o rendimento médio aumentou de 30 % para 36 %. No final, os objectivos do trabalho foram concluídos, pelo que o protótipo produzido se equipara a alguns trabalhos de referência na literatura.