High Performance RF Transmitter with two digital inputs for 5G systems

Abstract

In recent years, there has been a need to increase the capacity and speed of information transmission, so the communication signals used in mobile communications have been improved to meet the expectations. This will be even more significant in future 5G systems, since due to the high expansion of wireless devices, current 4G systems are starting to push their limits, where only small improvements can be achieved. Which complicates the design of transmitters, since these new signals have a wider bandwidth and a large variation between their average and peak value, causing amplifiers to operate most of the time in a zone where they are not as efficient. For this reason, amplifier architectures not only aim to have high efficiency when operating at maximum signal excursion, but also to increase efficiency in the zone where they will operate most of the time. For this purpose, there are architectures based on supply voltage modulation and load modulation to improve the efficiency at lower powers. This work addresses load modulation architectures, where Doherty and Chireix are the most prominent. In addition, with the increase in digital signal processing capabilities, new amplification architectures based on the load modulation technique have recently been proposed, but instead of using only one RF input, they use two independent digitally controlled inputs. This dissertation aims at implementing a Doherty-Chireix amplifier with two digital inputs to achieve efficient amplification for the 1.7 to 2.4GHz frequency band. In the end it was possible to design and implement a Doherty-Chireix power amplifier, with 700MHz bandwidth, with a gain between 13.9-11.3dB, a maximum power of 45dBm, a PAE of over 60% and peak-to-average power ratio between 5.2-4.1dB.

Nos últimos anos, tem havido uma necessidade de aumentar a capacidade e velocidade de transmissão de informação, deste modo os sinais de comunicação utilizados nas comunicações móveis têm evoluído por forma a corresponder as expectativas. Tal será ainda mais significativo nos futuros sistemas 5G, já que devido à elevada expansão de dispositivos sem fio, os atuais sistemas 4G estão a começar a atingir os seus limites, onde apenas pequenas melhorias podem ser alcançadas. Isto vem complicar o projeto dos transmissores, uma vez que estes novos sinais apresentam uma maior largura de banda e uma grande variação entre o seu valor médio e de pico, fazendo com que os amplificadores operem na maior parte do tempo numa zona em que não são tão eficientes. Por esta razão, as arquiteturas de amplificação nos dias de hoje não só visam ter um grande rendimento quando operam com a máxima excursão de sinal, mas também o aumento do rendimento na zona onde irão operar a maior parte do tempo. Nesse sentido existem arquiteturas baseadas em modelação de tensão de alimentação e modelação de carga de modo a melhorar a eficiência a potências mais baixas. Neste trabalho são abordadas arquiteturas de modulação de carga, onde Doherty e Chireix são as que mais se destacam. Para além disso, com o aumento da capacidade de processamento digital de sinal, recentemente foram propostas novas arquiteturas de amplificação que se baseiam nestas técnicas, mas em vez de utilizar apenas uma entrada de RF, usam duas entradas independentes controladas digitalmente. Esta dissertação visa a implementação de um amplificador Doherty-Chireix com duas entras digitais de modo a obter uma amplificação eficiente para uma banda de frequências de 1.7 a 2.4GHz. No final foi possível projetar e implementar um amplificador de potência Doherty-Chireix, com 700MHz de largura de banda, com um ganho compreendido entre 13.9-11.3dB, potência máxima de 45dBm, uma PAE superior a 60% e peak-to-average power ratio entre 5.2-4.1dB.