Active antenna co-design for future compact and high efficient RF front-end
Conception conjointe d’antenne active pour futurs modules de transmissions RF miniatures et faible pertes
Résumé
The recent development of cellular communication standards has led to an increasing RF front-end complexity due to the ever increasing number of RF needed paths. Each RF path is dedicated to a frequency bands group which might not be optimal for cost and occupied space area. Consequently, in order to optimize the RF performances and energy consumption, the approach used in this thesis is to share the constraints between the PA and the antenna of the front-end: this is called co-design. In this thesis, the considered co-design approach is twofold and in near future both results should be simultaneously considered and integrated into one fully reconfigurable RF front-end design.The first study addresses the co-design of an antenna and its associated power amplifier (PA), which are traditionally designed separately. We first determine the antenna impedance specifications to maximize the tradeoff between the energy transfer and PA linearity. Then, we propose to remove the impedance matching network between antenna and PA, while demonstrating that a low impedance antenna can maintain the RF performances. Contrarily to the classical approach where the antenna is matched to 50 Ω, the proposed co-design shows the possibility to keep the linearity of the PA even for high power levels (> 20 dBm).The second study focuses on the co-design of an antenna and tunable components. We are sharing the miniaturization effort and the resistive losses between the antenna structure and the tunable capacitor (DTC). The achieved developments are based on electromagnetic simulations, modeling, system characterization (linearity and switching time) and radiation measurements (efficiency) of miniature reconfigurable antenna prototypes in the 4G low bands. The considered studies have led to the design of a frequency reconfigurable antenna addressing the maximum instantaneous available bandwidth authorized by 4G. The radiator occupies only 18 x 3 mm2 (λ0/30 x λ0/180 at 560 MHz), and thus it is extremely suitable for a possible integration onto smartphones. The antenna resonance frequency is tuned between 560 MHz and 1030 MHz and the total efficiency varies between 50% and 4%. For the first time, the impact of SOI DTC implemented on the antenna radiating structure on linearity is measured with a dedicated test bench. The linearity specified by 4G is maintained up to 22 dBm of transmitted power.
L’évolution des différentes générations de systèmes de télécommunications cellulaires a entraîné une complexité du frontal des terminaux mobiles caractérisés notamment par la multiplication des chaînes RF qui le constituent. Chaque chaîne est dédiée à un standard, ce qui n’est pas optimale ni du point de vue du coût, ni de l’encombrement. Afin d’optimiser les performances et la consommation du transmetteur radiofréquence, l’approche retenue dans cette thèse consiste à concevoir de façon globale différents blocs afin de partager les contraintes. Dans cette thèse, l’approche globale de la co-conception est organisée en deux sous études. Celles-ci sont destinées à terme à être intégrées dans un même frontal RF entièrement configurable.La première étude aborde la problématique de la conception conjointe entre une antenne et un amplificateur de puissance (PA) qui sont traditionnellement conçus séparément. Nous avons tout d’abord déterminé les spécifications de l’antenne permettant de maximiser le transfert d’énergie entre ces deux blocs. Ensuite, nous avons conçu l’antenne en partageant les contraintes d’impédance à la fois dans la bande utile et aux harmoniques entre cette dernière et le PA afin de relâcher les spécifications sur le réseau d’adaptation d’impédance. Cette approche permet de maintenir la linéarité du PA à des niveaux de puissances supérieures par rapport au cas où l’antenne est adaptée sur 50 Ω.La seconde étude s’intéresse à la conception conjointe d’antennes et de composants agiles. Nous avons réparti l’effort de miniaturisation et les pertes ohmiques associées entre la structure d’antenne et le composant agile (capacité commutable numériquement). Les développements présentés se sont appuyés sur des simulations électromagnétiques, des modélisations, des caractérisations système (linéarité et temps de commutation) et des mesures en rayonnement (efficacité) de prototypes d’antennes miniatures dans les bandes basses 4G. Nos études ont abouti à la conception d’une antenne fente reconfigurable fonctionnant sur la bande instantanée maximale autorisée par la 4G. Pour une intégration sur smartphone, l’élément rayonnant n’occupe que 18 x 3 mm2 de surface soit λ_0/30×λ_0/180 à 560 MHz. La fréquence de résonance de l’antenne varie entre 560 MHz et 1.03 GHz et l’efficacité totale varie entre 50% et 4%. Un banc de mesure de la linéarité a été implémenté afin d’évaluer la linéarité des antennes agiles. La spécification de linéarité exigée par le standard est maintenu jusqu’à une puissance de 22 dBm.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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