Loading...
A Multioutput and Highly Efficient GaN Distributed Power Amplifier for Compact Subarrays in Wideband Phased Array Antennas
Helalian, Hamid | 2023
214
Viewed
- Type of Document: Ph.D. Dissertation
- Language: Farsi
- Document No: 56478 (05)
- University: Sharif University of Technology
- Department: Electrical Engineering
- Advisor(s): Atarodi, Mojtab
- Abstract:
- New applications such as high data rate telecommunications, millimeter-wave imaging systems, positioning systems, wall, and ground-penetrating radars, and vital sign monitoring radars require specifications of heavy-duty systems. In summary, in advanced applications with high bandwidth, having multiple inputs and multiple outputs, phased arrays, and optimal energy efficiency are in demand and desirable. Despite the diverse applications of these radars, commercial products in this field are very rare, expensive, and bulky. Therefore, research work in this area is justified from an applied perspective. Increasing the power amplifier's efficiency results in the creation of a smaller, more reliable, and lower-cost RF transmitter chain. This thesis includes the design and implementation, as well as the first test results of a four-output Distributed Power Amplifier (DPA). Because the wasted power in the standard distributed power amplifier's termination resistor is used, and all forward and reverse waves are delivered to the outputs, the new structure significantly contributes to improving the Power Added Efficiency (PAE) of the DPA. The flexibility and feasible implementation of the distributed power amplifier with multiple outputs (MODPA) substantially reduce the cost and complexity of designing phased array transceivers and ultra-broadband massive antenna arrays. The chip, based on AlN-GaN-AlGaN technology with a gate length of 100 nm, is fabricated on a 3 mm2 silicon substrate using pHEMT technologies and has been tested. This structure is suitable for implementing compact phased array systems. Phased array systems increase the signal-to-noise ratio, provide the ability to control beam position and beam steering in space, make it easier to overcome challenges arising from multi-pathing, and are efficient in sectorized cellular communications. However, the use of multiple antennas in phased array systems improves system performance while increasing design complexity, system size, and manufacturing cost. To leverage the advantages of phased array systems, it is necessary to use methods that mitigate the complexity of these systems. For this purpose, a structure is proposed to reduce the number of phased array elements. The high-power capabilities of GaN technology make it a suitable option for power amplifiers. A small GaN transistor can provide power levels at high frequencies that are not practical in other high-power technologies; therefore, this technology is a suitable choice for implementing high-power broadband distributed power amplifiers with high output power. The proposed structure is based on distributed power amplification. In the proposed structure, in the transmitter, two power amplifier (PA) and power divider blocks are integrated and replaced with a simple block with a wide bandwidth. In the receiver, two low-noise amplifiers (LNA) and a power combiner block are combined, and a structure with a wide bandwidth is provided. The integrations performed in the proposed structure result in system and circuit compression, reducing chip size and power consumption and reducing the overall cost. An optimal design method has been proposed for selecting load and source impedances at the fundamental and harmonic frequencies to maximize the Power Added Efficiency (PAE) in a distributed power amplifier with high efficiency and wide bandwidth.The presented broadband design methodology addresses an ambiguity for picking optimum load/source impedance at a single frequency caused by higher order harmonics of operating frequencies dropping in the band. The results of chip measurements show that this power amplifier has a maximum output power of 37-41 dBm in its four outputs, PAE = 22-73%, maximum power gain of 17-21 dB, and a bandwidth from near DC to 25 GHz. The maximum difference in power among the four output ports is 1.5 dB, making this power amplifier an attractive choice for implementing phased array systems
- Keywords:
- Class J Power Amplifier ; Distributed Amplifier ; Spatial Power Combining ; High Electron Mobility Field Effect Transistor (HEMT) ; Phased Array Antenna ; GaN Technology ; Wideband Phased Array System
-
محتواي کتاب
- view
- کار این رساله
- [83]
- [14]
- [15]
- [84]
- مساحت (mm2)
- چگالی توان (W/mm2)
- بهره b (dB)
- ساختار مداری
- ابعاد فرایند ساخت(μm)
- مرجع
- [85]
- [32]
- [30]
- [86]
- [87]
- [88]
- چکیده
- فهرست مطالب:
- فهرست تصاویر:
- فهرست جداول:
- فهرست اختصارات:
- 1- فصل اول: مقدمه
- 2- فصل دوم: مروری بر کارهای گذشته
- 3- فصل سوم: تقویتکننده توزیع یافته برای پیادهسازی آرایه فازی در ساختار فشرده و با پهنای باند زیاد
- 3-1 تقویتکننده توزیع یافته با چند خروجی
- 3-2 مزیتها و کاربردهای ساختار MODPA
- 3-2-1 آرایه فازی دارای زیر آرایه
- شکل 3-4 الف) دسته بندی آنتنها در یک آرایه فازی یکنواخت99F ب) ضریب آرایه100F اولیه، ضریب آرایه ثانویه، طرح کلی الگو در زاویه مرکزی101F ، طرح الگو برای 10 درجه زاویه چرخش پرتو برای یک آرایه خطی با دسته بندی یکنواخت و دارای 36 المان و Dp=0.5 λ و Np=3
- شکل 3-5 الف و ب نشاندهنده دو روش متداول برای تغذیه آنتنها در زیر آرایه یک آرایه فازی با بهره و فاز یکسان هستند. در این روش متداول استفاده از چند تقسیمکننده توان ضروری است. تقسیمکنندههای توان دارای تلفات قابل توجه و مساحت زیادی در تراشه هستند. ج)...
- شکل 3-6 پیادهسازی یک فرستنده و گیرنده آرایه فازی با استفاده از تقویتکننده توزیع یافته با چند خروجی MODPA در سمت فرستنده و تقویتکننده کم نویز با چند ورودی MID-LNA در سمت گیرنده
- 3-2-1 آرایه فازی دارای زیر آرایه
- 3-3 مشکلات ساختار تقویتکننده توان توزیع یافته با چند خروجی
- 3-4 خطیسازی تقویتکننده توزیع یافته با چند خروجی
- 3-1 نحوه تقسیم توان در ساختار تقویتکننده توزیع یافته با چند خروجی
- 3-2 دو مثال از پیادهسازی تقویتکننده توزیع یافته با چند خروجی
- 3-3 پیادهسازی مداری و روش طراحی MODPA
- 3-4 پیادهسازی تقویتکننده توزیع یافته با چند خروجی با استفاده از دوطبقه بهره و خط انتقال مصنوعی160F
- 3-5 تقسیم خازنی162F در طراحی خط انتقال گیت
- 3-6 روش طراحی طبقه بهره
- 3-7 امپدانس بار و بازده در تقویتکننده کلاس J
- 3-8 پایدارسازی و تحلیل پایداری مدار MODPA
- 3-9 قابلیت اطمینان تراشه MODPA در بلندمدت
- پارامتر
- مقدار متوسط
- 100 nm
- طول گیت
- 105 GHz
- فرکانس قطع (H21)
- 13 dB
- بیشینه بهره پایدار در فرکانس 30 GHz
- کمینه عدد نویز/بهره مرتبط در فرکانس 40 GHz
- چگالی توان RF
- ترارسانایی ذاتی
- مقاومت سورس
- مقاومت بیرونی درین سورس Vds=0V (Ron)
- مقاومت درین سورس در میدان کوچک
- 40 V
- ولتاژ شکست گیت درین برای 300µA/mm
- 12 V
- ولتاژ تغذیه VDD
- 400 Ω□
- مقاومت سطحی لایه فعال
- 0.1 Ω.mm
- مقاومت اهمی اتصال
- 0.055 Ω□
- مقاومت سطحی فلز گیت
- 0.067 Ω□
- مقاومت سطحی لایه فلزی MET1
- 40 Ω□
- مقاومت سطحی MD (NiCr)
- 0.0275 Ω□
- مقاومت سطحی فلز IN
- 0.017 Ω□
- مقاومت سطحی فلز TIN
- 400 pF/mm2
- خازن SiN MIM
- 49 pF/mm2
- خازن SiN+SiO2 MIM
- IMAX at Vds=2V (Gate 1)
- 1.1 A/mm
- 0.8 S/mm
- بیشینه ترارسانایی در Vds=1.2V (Gate 1)
- 0.6 dB/mm
- تلفات Substrate
- 1 Ω.mm
- مقاومت درین سورس در میدان کوچک
- 4- فصل چهارم: بررسی هدایت گرمایی، مدار بایاس تقویتکننده و نتایج اندازهگیری تراشه تقویتکننده توان توزیع یافته با چند خروجی
- Return Lossb (dB)
- fT (GHz)
- VDD (V)
- Freq. (GHz)
- FBWa (%)
- PAEb (%)
- Poutb (dBm)
- 16.7-24
- 40.6-43
- 0.25 GaN
- 30.1
- 30
- RMDAc
- 6-18
- 100
- 15-29
- 0.8-1.6
- 13.8
- >10
- 39-41.7
- 0.25 GaN
- 25
- 30
- DPA
- 1.5-17
- 167
- 10-14
- 20-38
- 0.6-1
- 12.6
- >4
- 0.2 GaN on SiC
- NA
- 10
- DPA
- 2-18
- 160
- 18-21
- 5-15
- 29-33
- 0.1-0.25
- 8
- >4
- 0.1 GaN on Si
- 37-40.8
- 105
- 28
- SDPA d
- 2-19
- 162
- 19-22
- 22-49
- 1.2-2.6
- 4.7
- >5
- 0.2 GaN on SiC
- 65
- 28
- RMPA e
- 3-17
- 140
- 9
- 14-43
- 40-43
- NA
- NA
- >1
- 8-11.5
- 40-41.7
- 0.25 GaN
- NA
- 28
- DEPA f
- 3.2-5.2
- 47.6
- 46-56
- 1-1.4
- 10.2
- >2
- 0.2 GaN on SiC
- 52
- 30
- NDPA
- 2-20
- 163
- 8-11
- NA
- 15-36
- 40-43
- 0.2-0.5
- 38
- 41-44.7
- 0.25 GaN
- 23
- 33
- DPA
- 6-18
- 100
- 8-12
- 8-18
- 0.6-1.4
- 21
- >4
- 0.25 GaAs
- 29-30.7
- NA
- 7
- DJPA g
- 1.5-10
- 147
- 10-16
- 26-44
- 0.1-0.2
- 4.6
- >5
- 0.25 GaN on SiC
- NA
- 28
- RMPA
- 6-18
- 100
- 17-28
- 14-24
- 35-43
- 0.1-1
- 19.3
- >8
- 0.1 GaN on Si
- 105
- 18
- MODPA
- DC-25
- 200
- 17-21
- 22-73
- 37-41
- 2.1-4.2
- 3
- >10
- a پهنای باند کسری (Fractional)
- e Reactively Matched PA
- b بیشینه و کمینه مقادیر گزارش شده در بازه فرکانسی
- f Distributed Efficient Power Amplifier
- c Reactively Matched Distributed Amplifier
- g Distributed Class-J Power Amplifier
- d Stacked Distributed PA
- 5- فصل پنجم: نتیجهگیری و کارهای آینده
- مراجع:
