title: Design of stacked high power RF amplifiers (RF PA) for 5G New Radio Base station with GaN and FDSOI technologies

title: Σχεδίαση στοιβαγμένων ενισχυτών υψηλής ισχύος RF (RF PA) για σταθμό βάσης 5G New Radio με τεχνολογία GaN και FDSOI
Creators: name: Ρουσσος Νικολαος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: The transition to 5G technology is a significant step forward in mobile communication, as it is expected to achieve higher data rates, ultra-reliable low-latency communications (uRLLC), and massive machine-type communications (mMTC). The 5G New Radio (5G NR) developed by 3rd Generation Partnership Project (3GPP) is a radio access technology (RAT) that supports a wide frequency range, FR1 410MHz-7.125GHz and FR2 24.25GHz-71GHz. 5G NR is important for a broad variety of applications, for example robotics, automotive, factory automation, and healthcare which require enhanced mobile broadband (eMBB) and high-efficiency spectrum use.

There is an increasing use of Gallium Nitride (GaN) High Electron Mobility Transistors (HEMTs) in power amplifiers for high power and broadband base stations in the 5G networks. Unlike CMOS, GaN HEMTs can deliver high power levels at high frequencies. A feature which is essential for mmWave 5G applications.

In this thesis, two differential Stacked FET Power Amplifiers (PAs) are implemented for the FR1 n79 frequency band of 4.4-5 GHz. The first PA is designed using 22nm Fully-Depleted Silicon-On-Insulator (FDSOI) transistor technology (22FDX), and the second PA is designed using GaN HEMT 0.15 µm technology (GH15). A comparison of the performance metrics reveals that while the 22FDX CMOS PA achieves an OP1dB of 28.1 dBm with a Power Added Efficiency (PAE) of 30% and a gain of 26 dB, the GaN PA significantly outperforms it in terms of output power, delivering an OP1dB of 44.5 dBm, though with a lower PAE of 16%  and a gain of 22.7 dB. 

Given its OP1dB of 28.1 dBm, the 22FDX Stacked PA could be effectively utilized as a pre-power amplifier, feeding the GaN Stacked PA (when it comes to FR1 applications) to enhance overall system level of integration. On the other hand, CMOS SOI PA is a perfect candidate for FR2 bands, where massive MiMo allows for lower power levels at the antenna, since a large number of antenna elements – and thus PAs – are used to build the phased array system. This approach highlights the complementary strengths of both technologies, with GaN offering superior power capabilities while CMOS can serve critical roles in the amplification chain.
description: Η μετάβαση στην τεχνολογία 5G αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στις κινητές επικοινωνίες, καθώς αναμένεται να επιτύχει υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, εξαιρετικά αξιόπιστες επικοινωνίες χαμηλής καθυστέρησης και επικοινωνίες μαζικού τύπου μεταξύ μηχανών. Το 5G New Radio (5G NR), το οποίο αναπτύχθηκε από το 3rd Generation Partnership Project (3GPP), είναι μια τεχνολογία ασύρματης πρόσβασης που υποστηρίζει ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων: FR1 από 410 MHz έως 7.125 GHz και FR2 από 24.25 GHz έως 71 GHz. Το 5G NR είναι ιδιαίτερα σημαντικό για μια ευρεία γκάμα εφαρμογών, όπως η ρομποτική, η αυτοκινητοβιομηχανία, ο αυτοματισμός εργοστασίων και ο τομέας της υγειονομικής περίθαλψης, που απαιτούν βελτιωμένη κινητή ευρυζωνικότητα και αποδοτική χρήση του φάσματος.
Υπάρχει αυξανόμενη χρήση των Gallium Nitride (GaN) High Electron Mobility Transistors (HEMTs) στους ενισχυτές ισχύος για σταθμούς βάσης υψηλής ισχύος και ευρείας ζώνης συχνοτήτων στα δίκτυα 5G. Σε σύγκριση με τις διατάξεις CMOS, τα GaN HEMTs μπορούν να λειτουργήσουν σε σημαντικά υψηλότερες συχνότητες και να παράγουν μεγαλύτερη στάθμη ισχύος λόγω της υψηλής κινητικότητας φορέων, τάσης διάσπασης και της θερμικής αγωγιμότητάς τους.
Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, υλοποιούνται δύο διαφορικοί στοιβαγμένοι ενισχυτές ισχύος για τη ζώνη συχνοτήτων FR1 n79 των 4.4-5 GHz. Ο πρώτος ενισχυτής σχεδιάζεται χρησιμοποιώντας την τεχνολογία CMOS 22nm Fully-Depleted Silicon-On-Insulator (FDSOI) (22FDX), ενώ ο δεύτερος ενισχυτής σχεδιάζεται χρησιμοποιώντας την τεχνολογία GaN HEMT 0.15 µm (GH15). Η σύγκριση των δεικτών απόδοσης αποκαλύπτει ότι ενώ ο CMOS PA επιτυγχάνει Output referred 1dB Compression Point (OP1dB)  των 28.1 dBm, με Power Added Efficiency (PAE) 30% και κέρδος 26 dB, ο GaN PA υπερτερεί σημαντικά όσον αφορά την ισχύ εξόδου, προσφέροντας OP1dB 44.5 dBm, αν και με χαμηλότερo PAE 16% και κέρδος 22.7 dB. Λαμβάνοντας υπόψη το OP1dB 28.1 dBm, ο CMOS Stacked PA θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά ως pre-amplifier, οδηγώντας τον GaN Stacked PA και ενισχύοντας τη συνολική απόδοση του συστήματος. Η προσέγγιση αυτή αναδεικνύει τα συμπληρωματικά πλεονεκτήματα και των δύο τεχνολογιών, με το GaN PA να προσφέρει ανώτερες δυνατότητες ισχύος, ενώ o CMOS PA μπορεί να διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στην αλυσίδα ενίσχυσης.