JultikaUniversity of Oulu repository

RF power amplifier is located at the backend of the transmitter before the filter and the antenna. To ensure ideal operation, known output impedance of the power amplifier is matched to the load impedance with help of matching network. Load impedance is traditionally provided by the circulator which has good isolation properties and stable load property. Higher frequencies are investigated in future 5G technology to obtain wider available bandwidths and meet increased capacity requirements. Higher frequencies have shorter wavelength which leads to smaller cell sizes due to their poorer propagation capability. As many RF components, also antennas have properties that are relative to wavelength. Higher frequency thus enables to integrate more antenna elements to base station structure, which is called massive MIMO (mMIMO) structure. By adjusting excitation signals of each element, wanted beam forms and beam directions are achieved. The possibility for the removal of the circulator from the power amplifier output was investigated in this thesis. In mMIMO structure number of transmitting branches is huge, so there is potential to achieve cost savings and increase the integration level if the removal is feasible. However, transistor output would be then altered to highly frequency and power dependent load, because the antenna input impedance is affected by the coupling effects from neighboring elements as a function of beam steering functionality. Thanks to good isolation properties of the circulator, power amplifier is not altered to that in traditional base station design. Additionally, circulator protects the transistor from reflecting waves, as they are routed to the termination. The device under test was optimized to 3.4 GHz-3.6 GHz frequency band and was connected as a balanced structure. The goal in this thesis was to investigate how the removal is changing the behavior of the power amplifier compared to the design where the circulator exists. Investigation was carried out by examining the basic RF performance parameters and quality of the feedback response for the digital pre-distorter (DPD). Simulation models turned out to be inadequate to simulate the performance under a varying load condition properly and accurate correlation between simulations and hardware measurements was not achieved. However, hardware implementation and measurement results showed up a potential, but there also occurred a big variation over the operation bandwidth. There occurred 8.3% unit variation in the efficiency figures in the circulatorless design over the bandwidth while it was just 2% units in the design where circulator existed. Peak power quantities varied 1.5 dB and. 0.5 dB respectively. Also, the effect on the DPD feedback response was more severe than expected as the ripple in the response was 4 dB in the circulatorless design while it was within acceptable limits in the design where the circulator existed. Therefore, more investigation would be needed in the future to ensure the proper performance over the bandwidth.

Tehovahvistin sijaitsee tukiasemarakenteen lähetysketjun loppupäässä ennen suodatinta ja antennia, ja on tukiaseman eniten tehoa kuluttava osa. Jotta tehovahvistin toimisi ideaalisesti, sen tiedetty lähtöimpedanssi sovitetaan sovitusverkon välityksellä kuormaimpedanssiin, joka perinteisesti on hyvän isolaatiokyvyn omaavan sirkulaattorin tuottama kuorma. Tulevaisuuden 5G-teknologiassa signaalitaajuus tulee useimmissa tapauksissa kasvamaan, sillä vapaata taajuuskaistaa ei juurikaan ole enää saatavilla nykyisillä langattoman tiedonsiirron käyttöön osoitetuilla taajuusalueilla. Tätä lisäkapasiteettia on välttämätöntä saada, jotta huimasti kasvavaan langattoman tiedonsiirron tarpeeseen kyetään vastaamaan. Korkeammat taajuudet tarkoittavat lyhyempiä aallonpituuksia, joiden myötä signaalin etenemiskyky heikkenee ja tukiasemien solukoot pienenevät väistämättä. Kuten RF-komponentit usein, myös antennielementit omaavat useita aallonpituudesta riippuvia parametreja. Täten taajuuden kasvattaminen sallii myös antennielementtien määrän kasvattamisen, jolloin puhutaan Massive MIMO (mMIMO) rakenteessa. Näiden antennielementtien välisiä konfiguraatioita muuttamalla saadaan aikaan haluttuja keilakuvioita ja kyetään myös suuntaamaan keiloja haluttuun suuntaan. Tätä kutsutaan keilanmuodostukseksi (engl. beamforming). Tässä työssä tutkittiin päätesirkulaattorin poistamisen mahdollisuutta tehovahvistimen lähdöstä 5G mMIMO -tukiasemarakenteessa. Lähetysketjujen suuresta määrästä johtuen integrointitason kasvattaminen omaa suuren potentiaalin kustannussäästöihin, ja sirkulaattorin poistaminen varsin isokokoisena ja hintavana komponenttina olisi myös yksi vaihtoehto niiden saavuttamiseksi. Tällöin tehovahvistimen näkemä kuorma on kuitenkin taajuuden ja tehon funktiona vaihteleva, sillä antennin tuloimpedanssiin vaikuttaa esimerkiksi kytkeytymisefektit viereisistä antennielementeistä eri keilanmuodostus konfiguraatioiden funktiona. Perinteisessä toteutuksessa sirkulaattori siis stabiloi hyvän isolaatio-ominaisuutensa ansiosta tätä vaihtelevaa kuormaa tehovahvistimen näkökulmasta, sekä myös suojaa tehovahvistinta takaisin heijastuvilta aalloilta. Työ toteutettiin tutkimalla, miten sirkulaattorin poisto vaikuttaa tehovahvistimen toimintaan verrattuna toteutukseen jossa sirkulaattori on olemassa. Tutkittava integroitu Doherty vahvistin oli optimoitu taajuusalueelle 3,4–3,6 GHz ja oli kytketty balansoiduksi rakenteeksi. Työssä käytetyt simulointimallit osoittautuivat liian vajavaisiksi, joten tehovahvistimen suorituskykyä ei pystytty täysin mallintamaan. Käytännön mittaukset osoittivat kuitenkin potentiaalia, mutta myös suurta suorituskykyvaihtelua taajuuskaistan yli. Hyötysuhdeluvut vaihtelivat 8,3% yksikköä ja piikkiteho kyvykkyys 1,5 dB taajuuskaistan yli toteutuksessa jossa sirkulaattori oli poistettu vastaavien lukujen ollessa 2% yksikköä ja 0,5 dB toteutuksessa jossa sirkulaattori oli olemassa. Lisää kehitys- ja tutkimustyötä tarvittaisi, jotta tehovahvistimen käyttäytyminen saataisi varmistettua koko taajuuskaistan ylitse.