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Conception d'amplificateurs de puissance large bande fonctionnant dans la nouvelle bande n78 pour le standard 5G

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Diatta, Djitiningo Thierry Joel (2020). Conception d'amplificateurs de puissance large bande fonctionnant dans la nouvelle bande n78 pour le standard 5G. Mémoire. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 222 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: L'évolution rapide des systèmes de télécommunications notamment les systèmes de communications sans fil constaté fait appel à la fabrication de nouveaux dispositifs permettant d'améliorer la qualité des services. Pour standardiser cette évolution dans les systèmes de télécommunication sans fil et répondre à diverses applications de communication, des normes sont mises en place comme la norme GSM (the Global Systems for Mobile communication systems), la norme WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), la norme UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), la norme LTE (Long-Term Evolution) et la norme WiMAX (Worldwide interoperability for Microwave Access). Toutes ces normes précédemment citées ont pour but de diminuer la latence dans la communication, d'augmenter le débit, de rendre meilleur le paramètre QoS (Quality of Service). C'est dans ce but de rendre toujours plus performant les systèmes de télécommunication sans fil que la technologie 5G (réseaux mobiles de cinquième génération) a été définie avec une bande passante de 500 MHz pour la plage de fréquence appelée NR n78 ou 3.5 GHz allant de 3.3 GHz à 3.8 GHz. Dans le chapitre 2, une méthodologie de caractérisation pour les applications large bande avec une bande de fréquence fondamentale (3.3-3.8 GHz) et ses 2e et 3e bandes d'harmoniques est présentée. La caractérisation du transistor CGH40010 capable de fournir 10 W en puissance de sortie avec une puissance d'entrée de 26.5 dBm a été faite en simulation sur le logiciel ADS 2019 avec le modèle à large bande du transistor nommé CGH40010F_r6_CGH40_r6 fournit par Wolfspeed. La méthodologie utilisée consiste à faire des simulations de type Loadpull /Sourcepull avec les fréquences fondamentales 3.3 GHz, 3.425 GHz, 3.55 GHz, 3.675 GHz, 3.8 GHz afin de couvrir la bande 3.3-3.8 GHz (Notons que dans la simulation les deuxième et troisième harmoniques sont prises en compte en entrée et en sortie pour l'amplificateur de puissance large bande NR n78) ensuite en faisant l'analyse des données découlant de cette simulation, nous avons déterminé les impédances optimales des bandes fondamentales, deuxième et troisième harmoniques nous permettant ainsi de rechercher un paramètre PAE maximum dans toute la bande NR n78. D'après notre caractérisation, la puissance de sortie obtenue dans la bande NR n78 est d'au moins 41.37 dBm et le paramètre PAE est d'au moins 75.96 %. Dans le chapitre 3, en se basant sur les points d'impédances optimales du chapitre 2, un amplificateur de puissance large bande fonctionnant sur toute la bande NR n78 est présenté pour atteindre les contraintes de large bande, de puissance de sortie et d'efficacité imposées par la technologie 5G. Pour améliorer le paramètre PAE, nous avons utilisé un filtre passe bas adaptateur d'impédance afin de supprimer les bandes des 2e et 3e harmoniques. Les paramètres PAE maximums mesurés dans toute la bande NR n78 varient entre 60.17-70.87 % et la puissance de sortie et le gain qui leurs sont associés varient respectivement entre 39.73-40.97 dBm et 11.50-13.97 dB. Enfin, dans le chapitre 4, en se basant aussi sur les points d'impédances optimales du chapitre 2, un amplificateur de puissance à haute efficacité utilisant un filtre coupe bande SIW asymétrique large bande fonctionnant dans la nouvelle bande n78 est présenté. Pour améliorer le paramètre PAE, le filtre de type SIW coupe bande qu'on propose permet de doubler voire tripler la bande de réjection proposée par la littérature en utilisant des tronçons asymétriques sur les transitions micro ruban-SIW afin d'avoir une suppression large bande de la 2e harmonique (6.6-7.6 GHz) d'au moins 24 dBc tout en minimisant les pertes dans la bande fondamentale NR n78. En effet, ce filtre SIW utilisé pour concevoir les réseaux d'adaptation en entrée et en sortie de l'amplificateur à la caractéristique de ne pas utiliser la zone SIW est qui sera utilisée pour faire l'adaptation d'impédance avec un trou inductif métallisé. Les résultats simulés à la fréquence 3.55 GHz nous donnent un paramètre PAE maximum de 63.09 % av c 40.78 dBm de puissance de sortie et un gain de 11.78 dB. Pour les résultats mesurés à la fréquence 3.55 GHz nous avons obtenu un paramètre PAE maximum de 52.20 % avec 40.47 dBm de puissance de sortie et un gain de 11.47 dB. La perte au paramètre PAE maximum entre la simulation et la mesure est de l'ordre de 10.89 %. Aux fréquences 3.3 GHz et 3.8 GHz l'amplificateur ne marche pas tant dans les simulations que dans la mesure. Pour régler les problèmes liés au fonctionnement large bande de l'AP, nous avons proposé une méthodologie pour l'adaptation d'impédance large bande sur le filtre SIW. Malheureusement cette méthode proposée à son tour ne règle pas nos problèmes d'adaptation d'impédance large bande, néanmoins elle nous a permis de connaitre l'effet de la taille du trou métallisé inductif sur les impédances. Pour finir, nous avons défini un travail futur à effectuer pour trouver une méthode d'adaptation d'impédance permettant de concevoir un filtre SIW AP large bande capable d'opérer sur toute la bande NR n78 de la technologie 5G. Dans le futur, un travail à effectuer pour trouver une méthode d'adaptation d'impédance permettant de concevoir un filtre SIW AP large bande capable d'opérer sur toute la bande NR n78 de la technologie 5G a été proposé. Aussi la caractérisation du chapitre 2 pourrait être faite avec un signal avancé comme un signal 5G. De même, les mesures effectuées dans le chapitre 3 pourraient être faites avec un signal 5G. En outre, la possibilité d'implémenter les méthodes de conception décrites dans les chapitres 3 et 4 pour concevoir des structures comme des amplificateurs Doherty de puissance large bande pour la technologie 5G est envisageable. -- Mot(s) clé(s) en français : Caractérisation, amplificateur de puissance, large bande, Loadpull / Sourcepull, réseau d'adaptation avec filtre passe-bas, guide d'onde intégré au substrat, suppression d'harmoniques, réseau d'adaptation, rendement en puissance ajoutée, 5G. -- ABSTRACT: The rapid development observed in telecommunications systems, particularly wireless communications systems involves the manufacture of new devices to improve the quality of services. To standardize this development in wireless telecommunication systems and respond to various communication applications, standards are set up such as GSM (the Global Systems for Mobile communication systems), WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), LTE (Long-Term Evolution) and WiMAX (Worldwide interoperability for Microwave Access). All of the above-mentioned standards aim to decrease communication latency, increase throughput, and improve QoS (Quality of Service). It is with this aim of always making wireless telecommunications systems more efficient that 5G technology (fifth generation mobile networks) has been defined with 500 MHz bandwidth for the frequency range called NR n78 or 3.5 GHz from 3.3 GHz to 3.8 GHz. In Chapter 2, a characterization methodology for wideband applications with a fundamental frequency band (3.3-3.8 GHz) and its 2nd and 3rd harmonic bands is presented. Characterization of CGH40010 transistor capable of providing 10 W of output power with an input power of 26.5 dBm was made in simulation on ADS 2019 software with Wolfspeed's large signal model of the transistor named CGH40010F_r6_CGH40_r6. The methodology used consists in carrying out Loadpull / Sourcepull simulations with the fundamental frequencies 3.3 GHz, 3.425 GHz, 3.55 GHz, 3.675 GHz, 3.8 GHz in order to cover over 3.3-3.8 GHz band (Note that in the simulation the second and third harmonics are taken into account in input and output for wideband NR n78 power amplifier ) then by analyzing the data resulting from this simulation, we determined the optimal impedances of the fundamental, second and third harmonics bands making it possible to search for a maximum PAE over NR n78 band. From our characterization, the output power obtained over NR n78 band is at least 41.37 dBm and the PAE is at least 75.96%.In Chapter 3, based on the optimal impedance points from Chapter 2, a wideband power amplifier working over NR n78 band is presented to achieve the wideband, output power and efficiency constraints imposed by 5G technology. To improve the PAE, we used a low pass impedance transforming filter to suppress 2nd and 3rd harmonic bands. Maximum PAE measured over NR n78 band vary between 60.17-70.87 % and their associated output power and gain vary between 39.73-40.97 dBm and 11.50-13.97 dB respectively. Finally in Chapter 4, also based on the optimal impedance points of Chapter 2, a high efficiency power amplifier using a SIW asymmetric wideband bandstop filter working in the new band n78 is presented. To improve the PAE, the proposed SIW bandstop filter makes it possible to double or even triple the rejection band proposed by the literature by using asymmetric stubs on the microstrip-SIW transitions in order to have a wideband suppression of the 2nd harmonic (6.6-7.6 GHz) of at least 24 dBc while minimizing losses in the fundamental band NR n78. Indeed, this SIW filter used to design the matching networks at the input and output of the amplifier has characteristic of not using the SIW area is which will be used to make the impedance matching with a inductive metallized hole . The results simulated at the frequency 3.55 GHz give us a maximum PAE of 63.09% with 40.78 dBm output power and 11.78 dB gain. And for the results measured at the frequency 3.55 GHz we obtained a maximum PAE of 52.20% with 40.47 dBm output power and 11.47 dB gain. The maximum PAE loss between simulation and measurement is around 10.89%. At 3.3 GHz and 3.8 GHz frequencies the amplifier does not work in simulations and in measurement. Then to solve the problems related to wideband operation of the AP, we proposed a methodology for wideband impedance matching on SIW. Unfortunately, this proposed method in turn does not solve our problems of wideband impedance matching, nevertheless it allowed us to know the effect of the size o the inductive metallized hole on the impedances. Finally, we defined future work to be done to find an impedance matching method to design a wideband SIW power amplifier capable working over NR n78 band of 5G technology. In the future, work to be done to find an impedance matching method to design a wideband SIW AP capable working over NR n78 band of 5G technology has been proposed. Also the characterization in chapter 2 could be done with an advanced signal like a 5G signal. Likewise, the measurements made in chapter 3 could be done with a 5G signal. In addition, the possibility of implementing the design methods described in Chapters 3 and 4 to design structures like Doherty wideband power amplifiers for 5G technology is conceivable. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Characterization, power amplifier, widedand, Loadpull / Sourcepull, low pass filter matching network, substrate integrated waveguide, harmonic suppressing, matching network, power added efficiency, 5G.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Mémoire)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Park, Chan-Wang
Information complémentaire : Mémoire présenté dans le cadre du programme de maîtrise en ingénierie en vue de l'obtention du grade de maître ès sciences appliquées (M.Sc.A.).
Mots-clés : Télécommunications Amplificateurs de puissance Communications mobiles 5G large bande Standard 5G
Départements et unités départementales : Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 17 août 2021 15:05
Dernière modification : 17 août 2021 15:05
URI : http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1839

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