Ka-taajuusalueen tehovahvistinkonsepteja 22 nm CMOS FDSOI -tekniikalla

5G-teknologian yleistyessä ja 6G-verkon kehityksen edetessä langattoman viestinnän energiatehokkuuden parantaminen on tärkeämpää kuin koskaan. Yksi suurimmista haasteista liittyy lähettimien tehovahvistimien (PA) suunnitteluun.
Tämä tutkimus tarkastelee menetelmiä integroitujen tehovahvistimien suorituskyvyn parantamiseksi, jotka soveltuvat millimetriaalloilla (mmWave) toimiviin lähettimiin. mmWave-lähettimet saattavat vaatia satoja pieniä tehovahvistimia tukemaan suuria antenniryhmiä, mikä helposti johtaa huonoon energiatehokkuuteen ja siten laitteen kuumenemiseen sekä korkeisiin materiaalikustannuksiin. Nopean tietoliikenteen käyttämät vaativat signaalimuodot ja niiden lineaarisuusvaatimukset tekevät tehovahvistimien suunnittelusta haasteellista, sillä ulkoisia särökompensointitekniikoita kuten digitaalista esisärötystä ei pystytä kunnolla hyödyntämään mmWave-lähettimissä.
Väitöskirja keskittyy innovatiivisten tehovahvistinratkaisujen löytämiseen hyödyntäen edistynyttä CMOS FDSOI-teknologiaa (komplementaarinen metallioksidipuolijohde) 24–28 GHz taajuusalueella. Yksi keskeisistä löydöksistä on FDSOI-teknologian mahdollistaman takahilaohjauksen avulla saavutettava lineaarisuuden parantaminen, mikä mahdollistaa suuremman lähtötehon 5G-signaalien lineaarisuusvaatimusten rajoissa.
Toinen tärkeä osa työtä on tasapainotettujen vahvistinarkkitehtuurien (balanced amplifier) tutkiminen ja parantaminen. Työssä havaittiin, että epäsymmetrisellä hilajänniteohjauksella voidaan kompensoida tasapainotettujen vahvistinkytkennän neljännesaaltohybridin epäideaalisuuksia, ja samalla parantaa suorituskykyä sekä energiatehokkuuden että lineaarisuuden osalta. Lisäksi suunniteltiin prototyyppi kuormamoduloidusta tasapainotetusta vahvistimesta, ja mittaustulokset osoittivat, että kyseinen vahvistin tarjoaa hyvän säädettävyyden sekä pystyy parantamaan lineaarisuutta ja tehokkuutta. Nämä tehovahvistinkonseptit tarjoavat lupaavan lähtökohdan tehovahvistinratkaisuille, jotka eivät ole riippuvaisia ulkoisista korjaustekniikoista, kuten digitaalisesta esisärötyksestä.
Tämä tutkimus raivaa tietä tehokkaammille ja lineaarisemmille tehovahvistimille, jotka vastaavat 5G- ja 6G-verkkojen tarpeisiin, tarjoten paremman suorituskyvyn ja pienemmän energiankulutuksen. Tulokset ovat osana luomassa perustaa langattoman viestintätekniikan jatkuvalle kehitykselle.