Power amplifier for 5G systems

Abstract

In recent years, 5G systems have been in the spotlight and the discussion of how its requirements will change people’s lives is becoming increasingly more relevant. The fact that one of these requirements is to provide users with hundreds of MHz of available bandwidth, coupled with a scarce and crowded spectrum below 3GHz, has led to an increase in the operating frequency. Following this idea, this dissertation has the objective to design, implement and test a power amplifier for 5G systems, specifically for frequencies in the X band (8-12GHz). In this frequency band, the behaviour of RF components (capacitors) and other structures (via hole, substrate and connectors) have to be carefully analysed in order to better understand how these elements can affect the overall performance of the circuits. For this purpose several test circuits were designed, implemented and then, the simulated and measured results were compared. This initial step on the practical work allowed to make some updates on the simulation process and to draw other useful conclusions. After that, the design of a power amplifier for the X band was conceived. In order to reach the final objective, several intermediate prototypes were designed to make possible the identification and correction of potential error sources, for example in the matching networks and in the transistor model. In the end, a power amplifier for the frequency band of 9 to 9.6GHz, which means, 600MHz of bandwidth, was designed and implemented. The maximum drain efficiency achieved was 41-55% with a gain between 6-12dB. These results have proved to be competitive with the actual state-of-the-art. All design and simulation were performed using the Advanced Design System 2019 and Momentum software from Keysight Technologies.

Nos últimos anos, os sitemas 5G têm estado em destaque e a forma como os seus requisitos irão mudar a vida da sociedade está a tornar-se ainda mais relevante. O facto de um desses requisitos ser providenciar os utilizadores com centenas de MHz de largura de banda, juntamente com um espetro escasso e lotado abaixo dos 3GHz, levou a um aumento da frequência de operação. Seguindo esta ideia, esta dissertação tem como objetivo projetar, implementar e testar um amplificador de potência para sistemas 5G, em particular para a banda X (8-12GHz). Nesta banda de frequências, o comportamento dos componentes de RF (condensadores) e outras estruturas (vias, substrato e conetores) têm de ser cuidadosamente analisados de modo a entender como é que estes elementos podem afetar o desempenho geral dos circuitos. Com esse propósito, vários circuitos de teste foram projetados, implementados, e de seguida, os resultados simulados e medidos foram comparados. Este passo inicial no trabalho prático permitiu fazer algumas atualizações no processo de simulação e tirar outras conclusões úteis. Posteriormente, um amplificador de potência para a banda X foi concebido. Para atingir o objetivo final, foram projetados vários protótipos intermédios de modo a tornar possível a identificação e correção de potenciais fontes de erro, como por exemplo nas malhas de adaptação e no modelo do transístor. No final foi possível projetar e implementar um amplificador de potência para a banda de frequências de 9 a 9.6GHz, ou seja, com 600MHz de largura de banda. A eficiência de dreno máxima alcançada foi de 41-55% com um ganho entre 6-12dB. Estes resultados demonstraram-se competitivos com o estado-da-arte atual. Todo o projeto e simulação foram realizados usando o software Advanced Design System 2019 e Momentum da Keysight Technologies.