conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux … · 2017-05-22 · conception...

Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages

en technologie GaNAbhijeet Dasgupta, Anthony Disserand, Tibault Reveyrand,

Pierre Medrel, Philippe Bouysse et Jean-Michel Nébus

XLIM, UMR CNRS-7252, Université de Limoges

[email protected]

118/05/2017

Sommaire

218/05/2017

- Topologie conventionnelle d‘émetteurs

- Conversion DC-RF à haut rendement dans les transmetteurs RF

- Modulateur de puissance vectoriel basé sur la technologie GaN

- Performances associées : résultats de simulation et de mesure

- Perspectives et applications


en technologie GaN

318/05/2017

IQMod.

charge

OMNIMN

amplificateur de puissance

RFOut

I

Q

Ban

de

de b

ase

LO

f

spectre

f0

f

spectre

f0

f

spectre

t

RF signal

t

RF signal

ΓLoad

VDC

f0

PA

E (%

)

Bande passante


en technologie GaN

Il est possible d’avoir une bande defréquence large, mais le rendement seraréduit en recul en puissance à cause du fortPAPR.

Topologie conventionnelle d‘émetteurs

418/05/2017

f0

PA

E (%

)

Bande passante ↘

Solutions existantes au niveau du PA:

- Modulation de charge.- Modulation de polarisation.

Recul en Puissance

Modulation (linéaire) Conversion d'énergie (non linéaire)

Implémentées séparément

IQMod.

charge

OMNIMN


RFOut

I

Q

LO

f

Spectre

f0

f

Spectre

f0

f

Spectre

t

RF signal

t

RF signalΓLoad

VDD

Ba

nd

e d

e b

ase


en technologie GaN

Ces méthodes permettent d'améliorer le rendement (sous back-off) mais sont contraignantes vis-à-vis de la bande passante.


518/05/2017

f0

PA

E (%

)

Bande passante ↘



Recul en Puissance



IQMod.

charge

OMNIMN


RFOut

I

Q

LO

f

Spectre

f0

f

Spectre

f0

f

Spectre

t

RF signal

t

RF signalΓLoad

VDD

Ba

nd

e d

e b

ase


en technologie GaN



618/05/2017

f0

PA

E (%

)

Bande passante ↘



Recul en Puissance



IQMod.

charge

OMNIMN


RFOut

I

Q

LO

f

Spectre

f0

f

Spectre

f0

f

Spectre

t

RF signal

t

RF signalΓLoad

VDD

Ba

nd

e d

e b

ase


en technologie GaN



718/05/2017

F0

PAE

(%)

Bande PassanteRecul en Puissance

Ce compromis peut être amélioré avec la

technologie GaN.

Spécifications Demandées:- Plus de 10 dB de recul en puissance.- Puissance de sortie de l’ordre de quelques dizaines de Watt - Bande passante instantanée de 500 MHz en bande L, S ou C.

Résumé du problème

Objectif prioritaire: - Rendement Energétique (PAE)Sous contrainte de:- Recul en puissance et Bande

Passante (Back-off and bandwidth)

Compromis Recul en puissance / Bande Passante

Signaux haute de PAPR


en technologie GaN

• Le rendement et la bande passante sont difficiles à améliorer simultanément.

les contraintes sur l'étage d'amplification

818/05/2017

Modulateur de puissance proposé


en technologie GaN

I QBande de base VDC

Charge

RFOut

f

Spectre

f0

Circuit en technologieGaN

t

SIgnal RF

f

Spectre

f0

LO

Les spécifications sont : - Puissance d’entrée constante.- Le signal d’entrée est en bande de base (I/Q).- Polarisation fixe.- La sortie est un signal de puissance RF modulé.

Combinaison des fonctions de modulation et d’amplification

circuit à gain variablesaturé (SVG)

sans mélangeur

Pour aller plus loir dans l'amélioration des étages de puissance

918/05/2017


en technologie GaN

l'objectif : Combinaison des fonctions de modulation et de conversion d’énergie

Modulateur de Puissance RF

1010001011...

Modulateur de Polarisation

Polarisation fixe

Données

binaires

DéphaseurQ

I

Charge

Q

I

Vds

t

LO (CW)

100mW

~20 dBm

Quand le modulateur de polarisation délivre une tension basse, Vdsmin = 15 V, la puissance d'entrée constante est convertie sur le plus petit cercle de la 16 QAM.

à 2.2 GHz~2W

(G1=13 dB)

Vds min 15 V

1018/05/2017


en technologie GaN


1010001011...


Polarisation fixeDonnées

binaires

DéphaseurQ

I

Charge

Q

I

Vds

t

LO (CW)

100mW

~20 dBm

Quand le modulateur de polarisation délivre une tension basse, Vdsmid = 30 V, la puissance d'entrée constante est convertie sur le plus milieu cercle de la 16 QAM.

à 2.2 GHz


~ 2W (13 dB)

~15W (G2=19 dB)

Vds mid 30 V

1118/05/2017


en technologie GaN


1010001011...


Polarisation fixeDonnées

binaires

DéphaseurQ

I

Q

I

Vds

t

LO (CW)

100mW

Charge

13 dB (15V) < Gtotal < 24 dB (45V) (on voit les 11 dB variations de gain ΔG=11 dB)

~20 dBm

Le modulateur de puissance agit ici comme un amplificateur saturé à gain variable (SVG)

à 2.2 GHz


~ 2W (13dB)~ 15W(19dB)

~20W(G3=24 dB)

Vds max 45 V

1218/05/2017


en technologie GaN

Niveaux d'énergies : critères

spécifications :- Efficacité Energétique > (45-50 %).- > 10 dB de recul en puissance.

Q

I

𝑽𝒎𝒊𝒏

Vmax

10 15 20 25 30 355 40

10

20

30

40

0

50

Puissance d’entrée, 2eme étage (dBm)

Puis

san

ce d

e s

ort

ie (

dB

m)

~8 dB15 V

30 V

45 V

31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 4430 45

10

20

30

40

50

0

60

Puissance de sortie (dBm)

15 V 30 V 45 V

PA

E (

%)

sous contrainte de:- Un seul étage de puissance ne peut

pas remplir ces deux conditions simultanément.

~8 dB

25 W transistor de puissance GaN

1318/05/2017


en technologie GaN

Modulateur de puissance à deux étages

10 15 20 25 30 355 40

10

20

30

40

0

50

Puissance d’entrée, 2eme étage (dBm)

Puis

sance d

e s

ort

ie (

dB

m)

>10 dB

15 V

30 V

45 V

31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 4430 45

10

20

30

40

50

0

60

Puissance de sortie (dBm)

15 V

30 V

45 V

PA

E (

%)

~2W ~20W

variation de puissance 10 dB

Pin

= 2

6 d

Bm

Pin

= 3

2d

Bm

Solution:- Acceptant de petites variations de puissance

d’entrée (ΔPISMC = 5-7 dB)

technologie GaN 50V avec modulation de polarisation

Un 1er étage avec modulation de polarisation à puissance

d’entrée constante

ΔPISMC

1418/05/2017


en technologie GaN

Modulateur de puissance avec deux étages

0 5 10

15

20

25

30

- 5 35

10

15

20

25

30

35

54

0Puissance d'entrée OL (dBm)

19

dB

m

ΔP

, ISM

C

Pu

issa

nce

de

so

rtie

1er

éta

ge(d

Bm

)A.Dasgupta et al “A New Design Approach of High Efficiency S-band 25W Mixerless Power Modulator based on

High Voltage 50V GaN-HEMT Technology” in APMC 2016, New Delhi, India, 5-9 Dec. 2016.

1er étage

1er étage

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en technologie GaN


Puissance d’entrée 2eme étage (dBm)

10 15 20 25 30 355 40

20

25

30

35

40

15

45

,

Δ P =11 dB

ΔP, ISMCP

uis

san

ce d

e s

ort

ie (

dB

m)

2eme étage

2eme étage

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en technologie GaN


0 5 10 15 20 25 30-5 35

5

10

15

20

25

0

30

0 5 10 15 20 25 30-5 35

10

20

30

40

50

0

60

Puissance d’entrée OL (dBm)

Δ G =11 dB

19 dBm


PA

E (

%)

Ga

in (

dB

)

1718/05/2017


en technologie GaN


0 5 10 15 20 25 30-5 35

5

10

15

20

25

0

30

0 5 10 15 20 25 30-5 35

10

20

30

40

50

0

60


Δ G =11 dB

19 dBm


PA

E (

%)

Ga

in (

dB

)

àSaturation

gain variable saturé(Gain variable au

maximum de PAE)

RF Power DAC

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en technologie GaN

Démonstrateur et résultats de mesures statiques

1er étage

2eme étage

à 2.2 GHz

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en technologie GaN

1er étage

2eme étage

à 2.2 GHz

Démonstrateur et résultats de mesures statiques

Bande RF 500 MHz

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en technologie GaN

L‘association des modulateurs de puissance et de polarisation

Banc de mesures dynamiques

2118/05/2017


en technologie GaN

SVG et modulateur de polarisation


L‘association des modulateurs de puissance et de polarisation

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en technologie GaN


2318/05/2017


en technologie GaN

Résultats de mesures dynamiques

Vector Power Modulator

Output

SVG Input

A. Dasgupta, A. Disserand, J.-M. Nébus, A. Martin, P. Bouysse, P. Medrel, and R. Quéré, “High Speed and Highly Efficient

S-Band 20 W Mixerless Vector Power Modulator,” in IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Honolulu, June 2017.

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en technologie GaN



Output

SVG Input



2518/05/2017


en technologie GaN



Output

SVG Input



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en technologie GaN


Résultats mesurés:

- Mesures jusqu'à100Msb/s 16-QAM modulation.

- Rendement global > 35%,

- EVM < 5% jusqu'à 60Msb/s.

Amélioration possible:

- Bande passante (modulateurs de polarisation et de puissance).

- Rendement (modulateurs de polarisation et de puissance).

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en technologie GaN

Perspectives et Applications

- Mise en œuvre du masque spectral approprié à la sortie

(Filtered output).

- Investigation sur une modulation 64-QAM.

- Combinaison de l’amplification et de l’émission (antenne).

- Recherche d’une amélioration des bandes vidéo et RF

MMIC co-conception des modulateurs de polarisation et de

puissance

- Pertes dues à la désadaptationréduites au niveau du drain du SVG

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en technologie GaN

Merci de votre attention

A. Dasgupta, A. Disserand, T. Reveyrand, P. Medrel, P. Bouysse et J-M Nébus,

[email protected]


en technologie GaN

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