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Highly linear RF amplifying transmitarray unit-cell with varactor-based reconfigurable phase and amplitude

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Berthiaume, David (2022). Highly linear RF amplifying transmitarray unit-cell with varactor-based reconfigurable phase and amplitude. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This research proposes a novel reconfigurable transmitarray (RTA) RF unit-cell including varactor-based magnitude and phase control capabilities and an amplifying function while delivering highly linear RF signals at transmitters’ power levels. Moreover, the DC current consumption and the components count are minimized for maximum energy efficiency and maximum reliability. These novel features are made possible by proposing solutions to improve the performances of the key circuit blocks and networks involved in this RTA unitcell. These key circuit blocks are a varactor-based tunable impedance network (TIN) enabling the reconfiguration capabilities within both the following networks: a network controlling the phase and a network including a control of the magnitude and an amplification function.

The proposed TIN in this work consists of a novel varactor-based circuit technique with improved linearity in the presence of parasitic capacitances and parasitic inductances. The mechanism causing linearity degradation in an anti-series varactor network that includes significant parasitic elements – a key aspect that, to our knowledge, has never been reported – is first studied using an analytical approach based on a multi-tone excitation. It is demonstrated analytically that simply optimizing the ratio of diode sizes is insufficient to circumvent this linearity degradation. The underlying linearity degradation concept serves as the basis for introducing a modified anti-series controllable capacitance (i.e., the proposed TIN) generating minimum distortions in the presence of parasitics.

In the proposed RTA unit-cell, the network controlling the phase is a low-loss 360° varactorbased reflection-type phase shifter (V-B RTPS) network with improved linearity performances over the state-of-the-art when considering power, insertion loss (IL), frequency, and relative phase shift (Δϕ) range. The other reconfigurable network involved in the proposed RTA unitcell is a single-stage GaN RF amplifier including mechanisms to tune the gain over a wide range.

Measured performances on both fabricated RF controllable networks and on a prototype RTA unit-cell at a carrier frequency of 3.6GHz demonstrate a relative phase shift up to 360°, a magnitude variation up to 10dB, and a delivered highly linear output power level ranging from 14.1dBm to 19.1dBm in response to a multi-tone excitation. Hence, the proposed amplifying RTA unit-cell and its controllable networks with such reconfiguration capabilities while achieving highly linear performances at transmitter-like power levels constitute a significant improvement with respect to the state-of-the-art in the fields of TINs, phase-shifters, and RTAs.

In addition to improving the state-of-the-art by achieving unequaled performances, this RTA unit-cell provides many opportunities for new system-level functionalities. This is supported by measured-performance -based analyzes on RTA antenna systems. These analyses reveal that our proposed RTA unit-cell has the potential of 1) significantly enhancing the linearity performances at large power levels, in contrast with most reported varactor-based solutions limited to low-power applications, 2) compensating the insertion loss variation (ΔIL) of the phase shifter for a better quality of the scattered field, 3) significantly improving the antenna efficiency of a planar aperture, an aspect that was never demonstrated based on measured performances, and 4) reducing the negative impact of all the losses located upstream these RF amplifiers on the global system energy efficiency, an aspect that is not considered in most reported RTA systems, even for RTA systems employing amplifying functions.

Titre traduit

Cellule RF hautement linéaire pour matrice d'antennes en transmission avec reconfiguration de la phase et de l'amplitude basée sur des réseaux de varacteurs

Résumé traduit

Ce travail de recherche propose une solution innovante comme cellule RF pour une matrice d’antennes en transmission reconfigurable (RTA) incluant une fonction d’amplification et des contrôles basés sur des réseaux de varacteurs pour ajuster la phase et l’amplitude indépendamment. Un aspect important de cette cellule pour RTA est sa capacité à délivrer des signaux RF hautement linéaires à des niveaux de puissances relativement élevés pour des émetteurs. De plus, la consommation de courant DC et le nombre de composantes sont minimisés afin de maximiser l’efficacité énergétique ainsi que la fiabilité. Ces fonctionnalités innovatrices sont rendues possible grâce à l’introduction de nouvelles solutions pour améliorer les performances des blocs de circuit et des réseaux de varacteurs, qui sont des éléments clés dans la cellule RF proposée pour les RTA. Ces circuits clés sont un réseau d’impédance accordable (TIN) à base de varacteurs permettant la reconfiguration des deux réseaux suivants : un réseau contrôlant la phase et un réseau incluant un contrôle de l’amplitude ainsi qu’une fonction d’amplification.

Le TIN proposé dans ce travail consiste en une nouvelle technique de circuit basée sur des varacteurs avec une linéarité améliorée en présence de capacités parasites et d’inductances parasites. Le mécanisme causant la dégradation de la linéarité dans des réseaux de varacteurs en configuration anti-séries en présence d’éléments parasites – un aspect clé qui, à notre connaissance, n’a jamais été abordé dans la littérature – est d’abord étudié à l’aide d’une approche analytique basée sur une excitation à fréquences multiples (multi-tone). Il est démontré de façon analytique pour la première fois que simplement optimiser le rapport de dimensions entre les diodes est insuffisant pour contourner cette dégradation de linéarité. La compréhension du mécanisme de dégradation de la linéarité sert de base pour l’introduction d’une nouvelle topologie de varacteurs en configuration anti-séries modifiée (c.-à-d. le TIN proposé) qui génère un minimum de distorsions en présence d’éléments parasites.

Dans la cellule pour RTA proposée, le réseau contrôlant la phase sur 360° et à faibles pertes est un déphaseur à base de varacteurs de type réflexion (V-B RTPS). Les performances en linéarité de ce V-B RTPS sont améliorées par rapport à l’état de l’art tout en considérant les pertes d’insertion (IL), la fréquence d’opération et la plage de déphasage (Δϕ). L’autre réseau reconfigurable impliqué dans la cellule RTA proposée est un amplificateur GaN RF d’un seul étage incluant des mécanismes de contrôle de l’amplitude sur une grande plage.

Des résultats expérimentaux à une fréquence de 3.6GHz sur les deux réseaux contrôlables et sur un prototype d’une cellule pour RTA démontrent un déphasage jusqu’à 360°, une variation de l’amplitude de 10dB, et un comportement hautement linéaire à une puissance maximale de sortie allant de 14.1dBm à 19.1dBm, en réponse à une excitation à 2 tonalités. Par conséquent, la cellule pour RTA proposée et ses réseaux contrôlables avec de telles capacités de reconfigurations, tout en atteignant des performances hautement linéaires à des niveaux de puissance adéquats pour émetteurs, constituent une amélioration significative de l’état de l’art dans les domaines des TINs, des déphaseurs et des RTAs.

En plus d’améliorer l’état de l’art en atteignant des performances inégalées, cette cellule pour RTA offre plusieurs opportunités pour de nouvelles fonctionnalités au niveau d’un système d’antenne RTA. Ceci est soutenu par des analyses de systèmes RTA basées sur des performances mesurées. Ces analyses révèlent que notre cellule pour RTA a le potentiel 1) d’améliorer considérablement les performances de linéarité à des niveaux de puissances élevés, contrairement à la plupart des solutions basées sur des varacteurs qui sont limités à des applications utilisant de faibles puissances, 2) de compenser la variation de la perte d’insertion (ΔIL) du déphaseur pour une meilleure qualité du faisceau de champ électromagnétique transmis, 3) d’améliorer considérablement l’efficacité d’une antenne planaire, ce qui n’a jamais été démontré à l’aide de performances mesurées et 4) de réduire l’influence négative de toutes les sources de pertes situées en amont de ces amplificateurs sur l’efficacité énergétique globale d’un système d’antennes RTA. Un aspect qui est rarement considéré dans la littérature, même pour des solutions employant des fonctions d’amplification.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 129-134).
Mots-clés libres: ajustable, amplitude, cellule d’une matrice, contrôlable, déphaseur de type réflexion (RTPS), diode, distorsion, distorsion d’intermodulation (IMD), fréquences multiples (multi-tone), linéarité, matrice d’antenne à alimentation spatiale, matrice d’antenne en transmission, parasite, phase, perte d’insertion (IL), rapport de puissance de canal adjacent (ACPR), reconfigurable, technique de linéarisation, varacteur
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Constantin, Nicolas
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 19 mai 2022 14:14
Dernière modification: 19 mai 2022 14:14
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2978

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