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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
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
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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
amplificateur de puissance
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
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
Ces méthodes permettent d'améliorer le rendement (sous back-off) mais sont contraignantes vis-à-vis de la bande passante.
Topologie conventionnelle d‘émetteurs
518/05/2017
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
amplificateur de puissance
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
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
Ces méthodes permettent d'améliorer le rendement (sous back-off) mais sont contraignantes vis-à-vis de la bande passante.
Topologie conventionnelle d‘émetteurs
618/05/2017
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
amplificateur de puissance
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
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
Ces méthodes permettent d'améliorer le rendement (sous back-off) mais sont contraignantes vis-à-vis de la bande passante.
Topologie conventionnelle d‘émetteurs
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
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
• Le rendement et la bande passante sont difficiles à améliorer simultanément.
les contraintes sur l'étage d'amplification
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Modulateur de puissance proposé
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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
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Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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
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en technologie GaN
Modulateur de Puissance RF
1010001011...
Modulateur de Polarisation
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
l'objectif : Combinaison des fonctions de modulation et de conversion d’énergie
~ 2W (13 dB)
~15W (G2=19 dB)
Vds mid 30 V
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en technologie GaN
Modulateur de Puissance RF
1010001011...
Modulateur de Polarisation
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
l'objectif : Combinaison des fonctions de modulation et de conversion d’énergie
~ 2W (13dB)~ 15W(19dB)
~20W(G3=24 dB)
Vds max 45 V
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Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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
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Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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
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Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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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Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
Modulateur de puissance avec deux étages
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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Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
Modulateur de puissance avec deux étages
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
Puissance d’entrée OL (dBm)
PA
E (
%)
Ga
in (
dB
)
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Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
Modulateur de puissance avec deux étages
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
Puissance d’entrée OL (dBm)
PA
E (
%)
Ga
in (
dB
)
àSaturation
gain variable saturé(Gain variable au
maximum de PAE)
RF Power DAC
1818/05/2017
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
Démonstrateur et résultats de mesures statiques
1er étage
2eme étage
à 2.2 GHz
1918/05/2017
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
1er étage
2eme étage
à 2.2 GHz
Démonstrateur et résultats de mesures statiques
Bande RF 500 MHz
2018/05/2017
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
L‘association des modulateurs de puissance et de polarisation
Banc de mesures dynamiques
2118/05/2017
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
SVG et modulateur de polarisation
Banc de mesures dynamiques
L‘association des modulateurs de puissance et de polarisation
2218/05/2017
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
Banc de mesures dynamiques
2318/05/2017
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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.
2418/05/2017
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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.
2518/05/2017
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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.
2618/05/2017
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
en technologie GaN
Résultats de mesures dynamiques
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).
2718/05/2017
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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
2818/05/2017
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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Merci de votre attention
A. Dasgupta, A. Disserand, T. Reveyrand, P. Medrel, P. Bouysse et J-M Nébus,
Conception d’un modulateur de puissance large-bande à deux étages
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