Design and characterization of power amplifiers for emerging technologies

Abstract

Advanced wireless communication systems require e cient communication links in terms of data rates and spectral e ciency. Such requirements are supported by advanced complex modulation schemes. With the increasing time domain statistical complexity of the modulation signals, linearity and power e ciency trade-o over the wide bandwidth imposes limitations on QoS o ered by the wireless transceivers. Power ampli er (PA) is one of the important components that su er majorly with this trade-o in wideband applications. PA design and characterization process using Continuous Wave (CW) excitation may lead to an inadequate performance for the modulation domain of applications. Moreover, PA design needs to be supported by advanced test models obtained from wideband linearity characterization, such as ACPR, EVM, or NPR to support complex time domain modulated signal statistics. Experimental characterization of Device Under Test (DUT) using load-pull setup virtually o ers a matching network that is implemented by the load tuners. This helps in performance prediction and optimization of the nal PA design. Thus, the work proposed in this thesis provides a reliable platform for the DUT characterization using a wideband modulated load-pull test bench. Using it, the impacts of time domain statistics, such as CCDF and PAPR of the modulated signal are investigated at the circuit level (at the intrinsic and extrinsic level). DUT characterization through the loadpull process is strongly dependent on the time domain statistics of the test signals. This creates multiple sub-optimal conditions in modulated loadpull analysis. In this case, the PA performance enhancement using strategy, such as frequency-dependent matched load will be discussed. Moreover, the multi-tone modulated load-pull process is a multi-dimensional problem and it has multiple optimum solutions. A lack of standard procedure for the modulated load-pull analysis leads to variation in the performance parameters extracted using di erent test benches or di erent excitation con gurations of the same test bench. To address this, a systematic approach to the nonlinear load-pull characterization process using multi-tone stimuli will be proposed in this thesis. It o ers the best Optimum Load Approximation (OLA) that can be more reliable and relatable to generalize the performance parameters for a specific class of signals.

Os sistemas avançados de comunicação sem fio exigem links de comunicação eficientes em termos de taxas de dados e eficiência espectral. Esses requisitos são suportados por esquemas de modulação complexos e avançados. Com o aumento da complexidade estatística no domínio do tempo dos sinais de modulação, a linearidade e a troca de eficiência de potência em uma ampla largura de banda impõem limitações à QoS oferecida pelos transceptores sem fio. O ampliador de potência (PA) é um dos componentes mais importantes que sofrem principalmente com essa troca em aplicações de banda larga. O processo de projeto e caracterização do PA usando excitação de onda contínua (CW) pode levar a um desempenho inadequado para o domínio de modulação dos aplicativos. Além disso, o projeto do PA precisa ser apoiado por modelos de teste avançados obtidos a partir da caracterização da linearidade de banda larga, como ACPR, EVM ou NPR, para suportar estatísticas complexas de sinais modulados no domínio do tempo. A caracterização experimental do Dispositivo sob Teste (DUT) usando a configuração load-pull oferece praticamente uma rede de correspondência implementada pelos sintonizadores de carga. Isso ajuda na previsão de desempenho e na otimização do projeto final do PA. Assim, o trabalho proposto nesta tese fornece uma plataforma confiável para a caracterização do DUT usando uma bancada de teste de load-pull modulada em banda larga.Com ela, os impactos das estatísticas do domínio do tempo, como CCDF e PAPR do sinal modulado, são investigados no nível do circuito (nos níveis intrínseco e extrínseco). Além disso, o projeto do PA precisa ser apoiado por modelos de teste avançados obtidos a partir da caracterização da linearidade de banda larga, como ACPR, EVM ou NPR, para suportar estatísticas complexas de sinais modulados no domínio do tempo. A caracterização experimental do dispositivo em teste (DUT) usando a configuração load-pull oferece praticamente uma rede de correspondência implementada pelos sintonizadores de carga.Isso ajuda na previsão de desempenho e na otimização do projeto final do PA.Assim, o trabalho proposto nesta tese fornece uma plataforma confiável para a caracterização do DUT usando uma bancada de teste de load-pull modulada em banda larga.Com ela, os impactos das estatísticas do domínio do tempo, como CCDF e PAPR do sinal modulado, são investigados no nível do circuito (nos níveis intrínseco e extrínseco). A caracterização do DUT por meio do processo de loadpull depende muito das estatísticas de domínio de tempo dos sinais de teste. Isso cria várias condições abaixo do ideal na análise modulada de loadpull. Nesse caso, será discutida a estratégia de aprimoramento do desempenho do PA, como a carga correspondente dependente da frequência. Além disso, o processo de load-pull modulado em vários tons é um problema multidimensional e tem várias soluções ótimas. A falta de um procedimento padrão para a análise de carga modulada leva a variações nos parâmetros de desempenho extraídos usando bancos de teste diferentes ou configurações de excitação diferentes do mesmo banco de teste. Para resolver esse problema, será proposta nesta tese uma abordagem sistemática para o processo de caracterização de carga e tração não linear usando estímulos de vários tons. Ela oferece a melhor Aproximação de Carga Ótima (OLA), que pode ser mais confiável e relacionável para generalizar os parâmetros de desempenho para uma classe específica de sinais.