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Harmonic tuned GaN-based power amplifiers with enhanced efficiency, bandwidth and thermal management

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Eskandari, Sina (2021). Harmonic tuned GaN-based power amplifiers with enhanced efficiency, bandwidth and thermal management. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

High efficiency broadband power amplifiers (PAs) are increasingly in demand for the novel wireless communication standards to meet the high spectral efficiency and integration requirements in front-end modules (FEMs) and massive multiple input multiple output (MIMO) active antenna systems. Modern PAs are therefore developed to address extended operational bandwidth requirement under increased peak data rates but still suffer from inefficiencies resulting from complicated matching networks and large power dissipation in the active devices. These can degrade the power efficiency and linearity performance and increase the heat density, particularly for high power PAs (HPAs), which in turn affects the overall performance and reliability of transmitters. To address these challenges, a two-pronged approach is taken in this thesis: (i) novel techniques to increase power efficiency and reduce the thermal load over wide bandwidths are proposed and (ii) efficient thermal management techniques are investigated.

First, to enhance power efficiency while increasing bandwidth novel harmonic impedance tuning at the device input are developed for two distinct classes of operation: continuous-mode inverse class GF (CCGF−1) and the continuous class GF (CCGF). For the CCGF-1, we propose new closed-form drain current expression to model the PA current waveforms in the time domain. We then use this analytical expression to exploit second source harmonic impedance manipulation in order to expand the design space of the output matching circuit resistively. This approach allows to diminish the complexity of the design of the load matching network at the fundamental and harmonic frequencies and to achieve wider bandwidth while simultaneously improving drain efficiency across the new optimum admittance points. As a proof of concept, a wideband CCGF−1 PA is designed, fabricated and tested. Results show a drain efficiency of more than 70% from 3.05 GHz to 3.85GHz, a gain between 11 and 12.4 dB with a gain flatness of ± 0.7 dB and an output power at 3-dB gain compression between 39.9 and 41.4 dBm over the same frequency band. For the CCGF, the second source harmonic in CCGF is similarly optimized to flatten the power amplifier’s frequency response over a wideband range. Moreover, a new design space is explored by considering the effects of controlling the input nonlinearity of the gate-source capacitance (Cgs) on the drain current waveforms under continuous mode drain voltage waveforms. Unlike the CCGF-1 mode where current overshoot can occur, the obtained drain current waveforms in the CCGF mode do not exceed the maximum drain current. Since the current overshoot can negatively affect the reliability of the device over time while simultaneously increasing the overlap with the voltage waveform in continuous mode, avoiding it by going to the CCGF mode will alleviate these problems. A second proof of concept prototype of a CCGF PA is also designed, fabricated and tested. Measurements show a flat frequency response from 3.3 GHz to 4.3 GHz with variations less than ± 0.4 dB for 40 dBm output power, and ± 2% for 66% drain efficiency.

The efficient thermal management of HPAs is undertaken through the design, fabrication, integration and testing of a 40 W C-band amplifier. Two alternative approaches are investigated: (i) the integration of an existing single MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) chip PA design, where matching and power combining are carried out on-chip, on a heat-sink housing and (ii) the hybrid PA design where lower power MMIC power-bars are matched and combined off-chip using low-loss multi-layer LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) technology and mounted in an optimized thermal management structure. It is shown that by using highly thermally conductive interposers with properly matched thermal expansion coefficient, namely copper-graphite, along with cavities in the LTCC and a copper base, the hybrid approach yields significant improvements in thermal management. Indeed, thermal images from the chip surface show 10-15 °C better thermal management of the hybrid HPA compared to MMIC HPA at the same saturated output power level.

Titre traduit

Amplificateurs de puissance GaN à réglage d'harmoniques avec une efficacité, une bande passante et une gestion thermique améliorées

Résumé traduit

Les amplificateurs de puissance (PA) à large bande et à haute efficacité sont de plus en plus demandés pour les nouveaux standards de communication sans fil afin de répondre aux exigences d'efficacité spectrale élevée et d'intégration dans les modules frontaux (FEM) et les systèmes d'antennes actives à entrées multiples et sorties multiples (MIMO). Les amplificateurs de puissance modernes sont donc développés pour répondre aux exigences d'une bande passante opérationnelle étendue avec des débits de données de pointe accrus, mais ils souffrent toujours d'inefficacités résultant de réseaux d'adaptation compliqués et d'une grande dissipation de puissance dans les dispositifs actifs. Ces facteurs peuvent dégrader le rendement énergétique et la linéarité et augmenter la densité thermique, en particulier pour les amplificateurs de puissance à puissance élevée (HPA), ce qui affecte les performances et la fiabilité globales des émetteurs. Pour relever ces défis, une approche à deux volets est adoptée dans cette thèse : (i) des nouvelles techniques pour augmenter l'efficacité énergétique et réduire la charge thermique sur de larges bandes passantes sont proposées et (ii) des techniques de gestion thermique efficaces sont étudiées.

Tout d'abord, pour améliorer l'efficacité énergétique tout en augmentant la bande passante, de nouveaux réglages d'impédance harmonique à l'entrée du dispositif sont développés pour deux classes d'opération distinctes : la classe GF inverse en mode continu (CCGF-1) et la classe GF continue (CCGF). Pour le CCGF-1, nous proposons une nouvelle expression du courant de drain à forme fermée pour modéliser les formes d'onde du courant du PA dans le domaine temporel. Nous utilisons ensuite cette expression analytique pour exploiter la manipulation de l'impédance harmonique de la seconde source afin d'étendre l'espace de conception du circuit d'adaptation de sortie de manière résistive. Cette approche permet de réduire la complexité de la conception du réseau d'adaptation de charge aux fréquences fondamentales et harmoniques et d'obtenir une plus grande largeur de bande tout en améliorant simultanément l'efficacité du drain à travers les nouveaux points d'admittance optimaux. Comme preuve de concept, un PA CCGF-1 à large bande est conçu, fabriqué et testé. Les résultats montrent une efficacité de drain de plus de 70% de 3.05 GHz à 3.85GHz, un gain entre 11 et 12.4 dB avec une planéité de gain de ± 0.7 dB et une puissance de sortie à 3-dB de compression de gain entre 39.9 et 41.4 dBm sur la même bande de fréquence. Pour le CCGF, la deuxième harmonique de source est optimisée de manière similaire pour aplanir la réponse en fréquence de l'amplificateur de puissance sur une large gamme de fréquences. De plus, un nouvel espace de conception est exploré en considérant les effets du contrôle de la non-linéarité d'entrée de la capacité grillesource (Cgs) sur les formes d'onde du courant de drain sous des formes d'onde de tension de drain en mode continu. Contrairement au mode CCGF-1 où un dépassement de courant peut se produire, les formes d'onde de courant de drain obtenues en mode CCGF ne dépassent pas le courant de drain maximal. Étant donné que le dépassement de courant peut affecter négativement la fiabilité du dispositif dans le temps tout en augmentant simultanément le chevauchement avec la forme d'onde de tension en mode continu, évitant le chevauchement en passant au mode CCGF atténuera ces problèmes. Un deuxième prototype de preuve de concept d'un PA CCGF est également conçu, fabriqué et testé. Les mesures montrent une réponse en fréquence plate de 3,3 GHz à 4,3 GHz avec des variations inférieures à ± 0,4 dB pour une puissance de sortie de 40 dBm, et ± 2 % pour une efficacité de drain de 66 %.

La gestion thermique efficace des HPA est entreprise à travers la conception, la fabrication, l'intégration et le test d'un amplificateur en bande C de 40 W. Deux approches alternatives sont étudiées: (i) l'intégration d'une conception de PA à puce unique MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) existante, où l'adaptation et la combinaison de puissance sont effectuées sur la puce, sur un boîtier de dissipateur thermique et (ii) la conception de PA hybride où les barres de puissance MMIC de plus faible puissance sont adaptées et combinées hors puce en utilisant la technologie multicouche LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) à faibles pertes et montées dans une structure de gestion thermique optimisée. Il est démontré qu'en utilisant des intercalaires hautement thermoconducteurs avec un coefficient d'expansion thermique correctement adapté, à savoir le cuivre-graphite, ainsi que des cavités dans le LTCC et une base en cuivre, l'approche hybride apporte des améliorations significatives dans la gestion thermique. En effet, les images thermiques de la surface de la puce montrent une amélioration de 10 à 15 °C de la gestion thermique de l'amplificateur de puissance hybride par rapport à l'amplificateur de puissance MMIC au même niveau de puissance de sortie saturée.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 91-99).
Mots-clés libres: amplificateur de puissance en mode continu, CCGF, CCGF-1, GaN, PA accordé harmonique, haute efficacité, LTCC, manipulation d'harmoniques de deuxième source, gestion thermique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Kouki, Ammar
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 08 févr. 2022 18:45
Dernière modification: 08 févr. 2022 18:45
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2884

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