Innovative transmitter topologies at 28 and 40 GHz for 5G digital beamforming applications : RF-DAC and phase shifter based solutions in silicon technology

L’augmentation du débit à échanger sur les réseaux sans fil a amené à étendre le spectre de communication sur la bande de fréquence de 24 GHz à 40 GHz avec l’arrivée de la 5G. Souffrant d’une couverture de faible portée à ces fréquences, la technique de recombinaison de faisceaux (beamforming) est employée dans les systèmes de communications. Cette technique basée sur l’utilisation de plusieurs antennes d’émission et de réception, permet d’augmenter la puissance envoyée dans une direction en contrôlant la phase des signaux sur chaque antenne. Parmi les différentes topologies de beamforming, l’une d’entre elles devient de plus en plus attractive : le beamforming numérique. Dans ce type de système, les signaux envoyés sur chaque antenne sont indépendants et sont contrôlés numériquement. Cela permet d’utiliser les techniques MIMO (multiple-input multiple-output) déjà utilisées dans la génération précédente (4G) et d’exploiter au maximum le réseau d’antennes. Le beamforming numérique permet alors d’augmenter grandement l’efficacité spectrale du réseau en améliorant le rapport signal/bruit et en ouvrant l’accès au multiplexage spatial, permettant de partager les mêmes ressources temps/fréquences à des utilisateurs séparés dans l’espace. L’objectif est de profiter des techniques MIMO sur de grands réseaux d’antennes (plus de 100 antennes) par rapport à ce qui se faisait en 4G (jusqu’à 8 antennes). Le défi est alors de réaliser un système de beamforming numérique fiable et flexible, tout en garantissant une bonne efficacité énergétique. Pour cela, une solution à base de RF-DAC est proposée pour réduire la consommation énergétique des chaînes d’émission. Cette solution se base sur le partage du même courant pour les différents blocs d’une chaîne d’émission : convertisseur numérique-analogique, mélangeur et amplificateur. L’objectif de ce circuit est de convertir un signal numérique directement en signal radiofréquence. Les différents concepts sont validés par l’implémentation et la mesure du circuit en technologie silicium. Seulement, pour garantir les meilleures performances possibles pour un système de beamforming numérique, il est nécessaire de pouvoir corriger les erreurs d’amplitude et de phase sur le réseau d’antennes. Deux architectures basées sur l’utilisations d’amplificateurs à gain variable (VGA) et de coupleur hybride 90° sont étudiées et comparées : le modulateur vectoriel et le déphaseur de type réflectif (RTPS) couplé à un VGA 180°. La conception de ces circuits aux fréquences millimétriques implique une plus grande sensibilité des composants aux différents éléments parasites. Le layout est alors un point clé de la conception pour assurer le bon fonctionnement des circuits à ces fréquences. Les deux architectures sont implémentées et mesurées permettant de valider leur fonctionnement et de mettre en évidence leurs forces et leurs faiblesses dans un contexte de correction d’amplitude et de phase, dans un système de beamforming numérique.The growing of the data rate on wireless networks has led to extend the communication spectrum on the frequency band from 24 GHz to 40 GHz with the 5G release. Suffering from a short range coverage at these frequancies, the beamforming technique is used in communications systems. This technique, based on the use of several transmitting and receiving antennas, allows to increase the power sent in one direction by controlling the phase of the signals on each antenna. Among the different beamforming topologies, one of them becomes more and more attractive : the digital beamforming. In this type of system, the signals sent to each antenna are independent and are digitally controlled. This allows to reuse the MIMO (multiple-input multiple-output) techniques from the previous generation (4G) and to exploit the antenna array to the maximum. Digital beamforming then allows to greatly increase the spectral efficiency of the network by improving the signal-to-noise ratio and by opening access to spatial multiplexing, allowing to share the same time/frequency resources to spatially separated users. The objective is to take advantage of MIMO techniques on large antenna arrays (more than 100 antennas) compared to what was done in 4G (up to 8 antennas). The challenge is then to implement a reliable and flexible digital beamforming system, while ensuring good energy efficiency. For this purpose, an RF-DAC based solution is proposed to reduce the energy consumption of the transmitters. This solution is based on the sharing of the same current for the different blocks of a transmitter : digital-to-analog converter, mixer and amplifier. The function of this circuit is to convert a digital signal directly into a radio frequency signal. The different concepts are validated by the circuit implementation and measurement in silicon technology. However, in order to guarantee the best possible performance for a digital beamforming system, it is necessary to correct the amplitude and phase errors over the antenna array. Two architectures based on the use of variable gain amplifiers (VGA) and 90° hybrid couplers are studied and compared : the vector modulator and the reflective type phase shifter (RTPS) coupled to a 180° VGA. The design of these circuits at millimeter-wave frequencies implies a greater sensitivity of the components to the parasitic elements. The layout is then a key point of the design to ensure the proper functioning of the circuits at these frequencies. Both architectures are implemented and measured to validate their operation and to highlight their strengths and weaknesses in a context of amplitude and phase correction, in a digital beamforming system