Abstract

This thesis presents concepts for understanding and utilizing the spatial behavior of nonlinear distortion in a millimeter-wave (mmW) multi-antenna transmitter. The work begins with an approach for radio frequency (RF) link budget and performance evaluation in a multiple-input multiple-output (MIMO) system. In the approach, the radio channel is decomposed into independent MIMO channels whose link budgets are analyzed independently using power dependent nonideal models of RF transceivers.

The nonlinear distortion caused by RF power amplifiers (PAs) is studied in phased array systems that use analog beamforming. In particular, the focus is on the scenarios in which also the amplitudes of individual paths are controlled to shape the beam pattern. The differences in the nonlinear behavior of the individual paths make the beams of the signal and the distortion differ from each other. This observation is important to consider when specifying the transmitter error vector magnitude (EVM) and adjacent channel power ratio (ACPR) with over-the-air measurements.

In phased array systems, multiple PAs share the same digital input and hence the PA linearization by digital predistortion (DPD) turns into an array linearization problem. The linearization of such an array can be performed by modeling, emulating, or measuring the transmitter radiated response in various ways. In particular, this thesis discusses different conductive and radiated feedback receiver approaches and proposes procedures for training the DPD objective based on the measurements. Linearizing the array in the main lobe does not mean linearization of individual PAs if the transmit paths differ from each other. In such scenarios, it is shown that linearizing the signal in the main lobe creates a notch in the training direction that is a result of OTA combining different nonlinear components. This is shown to make a tradeoff between the EVM characterized in the steering angle and ACPR integrated over the sphere. It is proposed that such a problem can be tackled by modifying the nonlinearity of individual paths by PA bias control to make the distortion of individual paths more similar. This is shown to simplify the DPD trained in a certain steering angle to be effective also in other directions thus linearizing both EVM and total radiated ACPR of the array while achieving decent power efficiency.

Tiivistelmä

Tässä väitöskirjatyössä esitetään menetelmiä korkean taajuuden moniantennijärjestelmän epälineaarisen vääristymän tilatason käyttäytymisen ymmärtämiseksi ja hyödyntämiseksi. Työn alkuosa käsittelee radiojärjestelmän linkkibudjettia tavalla, joka yhdistää monikeilalähetyksen ja radiokanavamallin radiolähettimen ja -vastaanottimen käyttäytymismalleihin. Loppuosa työstä keskittyy tarkastelemaan tehovahvistimista aiheutuvaa epälineaarista häiriötä vaiheistetuissa keilanmuodostusjärjestelmissä. Työssä havaitaan erojen lähetinhaarojen epälineaarisessa käyttäytymisessä luovan eroja halutun lineaarisen signaalin keilan sekä häiriön keilan välille. Tämän johdosta häiriö voi antennien avulla säteillessään muodostaa erilaisen säteilykuvion kuin lähetetty signaali. Tämä havainto on erityisen tärkeä ymmärtää, kun muodostetaan säteilevän viereisen kaistan epälineaarisen häiriön sekä signaalin virhevektorin järjestelmätason vaatimuksia moniantennilähettimille.

Ilmiötä voidaan myös hyödyntää lähettimen linearisoinnissa. Vaiheistetuissa ryhmissä useat antennikohtaiset tehovahvistimet jakavat yhden yhteisen tulon, jota voidaan digitaalisesti esivääristää. Tällaisissa ryhmissä lähettimen digitaalinen esivääristys (DPD) muuttuu säteilevän keilan esivääristämiseksi, joka sisältää myös antennit sekä niiden tilatason summausvaikutuksen. Ryhmän linearisointi voidaan suorittaa käsittelemällä koko lähetinryhmää yhtenä epälineaarisena komponenttina. Työssä esitetään erilaisia havainnointivastaanotinstrategioita sekä menetelmiä DPD-objektin muodostamiseksi hyödyntäen ryhmästä eri suuntiin säteilevän aaltomuodon mallinnusta ja mittauksia. Työssä huomataan, että lähettimen linearisointi tietyssä suunnassa ei takaa linearisointia muissa suunnissa, jos haarojen epälineaariset käyttäytymiset eroavat toisistaan. Tällöin yhden suunnan linearisointi muodostaa minimin häiriölle halutussa suunnassa summaamalla epälineaarisia komponentteja tilatasossa. Tällaisissa tapauksissa haarojen epälineaarisuutta voidaan analogisesti muokata esimerkiksi tehovahvistimien toimintapisteitä muuttamalla siten, että niiden epälineaarisuus muuttuu samankaltaiseksi. Työssä näytetään simuloinnein ja mittauksin, että tällöin yhden suunnan linearisoinnilla voidaan saavuttaa lineaarinen lähtösignaali kaikissa suunnissa hyvällä hyötysuhteella tapauksissa missä tehovahvistimien lähtöamplitudeja halutaan kontrolloida.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Tuovinen, T., Tervo, N., & Pärssinen, A. (2017). Analyzing 5G RF system performance and relation to link budget for directive MIMO. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 65(12), 6636–6645. https://doi.org/10.1109/TAP.2017.2756848

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Tervo, N., Jokinen, M., Leinonen, M. E., Aikio, J., Kursu, O., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2019). Digital predistortion concepts for linearization of mmW phased array transmitters. 2019 16th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS), 325–329. https://doi.org/10.1109/ISWCS.2019.8877285

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Tervo, N., Leinonen, M. E., Aikio, J., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2018). Analyzing the effects of PA variations on the performance of phased array digital predistortion. 2018 IEEE 29th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 215–219. https://doi.org/10.1109/PIMRC.2018.8580706

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Tervo, N., Aikio, J., Tuovinen, T., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2017). Digital predistortion of amplitude varying phased array utilising over-the-air combining. 2017 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 1165–1168. https://doi.org/10.1109/MWSYM.2017.8058809

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Tervo, N., Khan, B., Aikio, J. P., Kursu, O., Jokinen, M., Leinonen, M. E., Sonkki, M., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2021). Combined sidelobe reduction and omnidirectional linearization of phased array by using tapered power amplifier biasing and digital predistortion. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 69(9), 4284–4299. https://doi.org/10.1109/TMTT.2021.3092357

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

6. Tervo, N., Khan, B., Kursu, O., Aikio, J. P., Jokinen, M., Leinonen, M. E., Juntti, M., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2020). Digital predistortion of millimeter-wave phased array transmitter with over-the-air calibrated simplified conductive feedback architecture. 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS), 543–546. https://doi.org/10.1109/IMS30576.2020.9224083

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

7. Tervo, N., Khan, B., Kursu, O., Aikio, J. P., Jokinen, M., Leinonen, M. E., Juntti, M., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2021). Digital predistortion of phased-array transmitter with shared feedback and far-field calibration. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 69(1), 1000–1015. https://doi.org/10.1109/TMTT.2020.3038193

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

8. Tervo, N., Aikio, J., Tuovinen, T., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2016). Effects of PA nonlinearity and dynamic range in spatially multiplexed precoded MIMO systems. 22th European Wireless Conference, 1–6.

9. Tervo, N., Leinonen, M. E., Jokinen, M., Aikio, J., Kursu, O., Sonkki, M., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2019). Measurement method for characterizing nonlinearity under near-field and far-field interferers in 5G mmW phased arrays. 2019 49th European Microwave Conference (EuMC), 420–423. https://doi.org/10.23919/EuMC.2019.8910825

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version