Design of an RF Supply Modulator for use in Envelope Tracking

Abstract

Fremtidens kommunikasjonssystemer må kunne sende store mengder informasjon, samtidig som de er enerigeffektive. For å lage slike system må nye måter å designe systemene på utvikles.

Denne masteroppgaven utforsker bruken av RF transistorer for å lage spenningsforsyningen i et ET system. Målet er å oppnå bedre båndbredde i et slikt design sammenliknet med design som allerede eksisterer. Alle design i denne oppgaven har en senterfrekvens på 2.9GHz, og er testet over tre laster i området 50Ω til 150Ω.

Først testes likerettingsmodulen i designet. Den første likerettingsmodulen er ikke injesert med et eksternt signal, og oppnår en simulert effekt på 75%. Systemet produseres på et FR4 substrat, og gir en målt effektivitet på 4%. Grunnen til det store avviket mellom simuleringer og målinger mistenkes å være på grunn av høy sensitivitet, kombinert med lav nøyaktighet i produksjon.

Likerettingsmodulen endres for å tillate injeksjon av effekt. Dette gjøres for å redusere sensitiviteten til designet. Substratet RO4003 brukes i dette designet, som skal ha bedre ytelse enn FR4. Simuleringer viser at de to designene har relativt lik effektivitet. Målingene viser at systemet virker bedre enn det uten injisert effekt, med en maks effektivitet på over 50%.

Spenningsforsyningen implementeres ved å kombinere likeretteren med injeksjon med en klasse B forsterker. Båndbredden for designet simuleres til 90MHz i gjennomsnitt. Systemet oppnår en gjennomsnittlig effektivitet på 78% for senterfrekvens, og leverer minst 9.9W effekt til lasten.

Spenningsforsyningen optimeres på nytt for å drive en 30Ω last. Ved å kun fokusere på en last oppnår systemet en effekt på 80% for senterfrekvensen, og har en gjennomsnittlig effektivitet på 78% over et 200MHz bånd.

Oppgaven viser at systemet kan brukes som en spenningsforsyning i ET, og utkonkurrerer andre spenningsforsyninger på båndbredde. Flere tester bør gjennomføres for å utforske ytelsen i mer realistiske testområder.

Tomorrow's communication systems face the challenges to be both energy-efficient and able to send large amounts of information. A critical factor in achieving this is to find new ways of improving the systems.

This thesis explores a new design methodology for implementing a supply modulator for envelope tracking (ET), using RF transistors. The idea behind the RF transistor is to be able to use a higher frequency for modulation, resulting in greater bandwidth. All designs are tested over three loads ranging from 50Ω to 150Ω.

Firstly, the rectifier module is designed and tested. The first design is self-injected and achieves an average efficiency of 75%. The system is produced on an FR4 substrate with a measured peak efficiency of 4%. The method is believed to be too sensitive, resulting in a mismatch in the realized circuit and causing the efficiency to disappear.

The rectifier is redesigned to allow for power injection. By injecting power, the goal is to reduce sensitivity. The circuit is designed on a higher performance substrate, RO4003. Simulations show the efficiency drops despite using a better substrate. A poorer matching circuit design for the rectifier with active injection seems to cause the efficiency to drop. Measurements find the system is able to rectify a signal, reaching efficiencies over 50% at peak.

The full RF supply modulator is implemented using an ideal class B amplifier to drive the rectifying element with active injection. The bandwidth is determined to be 90MHz on average for the three loads. The system reaches an average efficiency of 78%, delivering a minimum of 9.9W of power

Finally, the supply modulator is reoptimized to drive a single 30Ω load. This design reaches a peak efficiency of 80%, with an average efficiency of 78% in a 200MHz band. Despite being optimized for peak efficiency, the system performs incredibly well in a wideband test case.

The thesis proves that the system can be used as a supply modulator, but more testing is needed to verify the system's performance in an ET design.