Integrated Transmitters for Cellular User Equipment–Wideband CMOS Power Amplifiers and Antenna Impedance Tuners

The digital cellular systems era started about thirty years ago with the release of the first digital cellphones. These first digital cellphones were very different from today’s slim and esthetic cellular pocket computers. They were not mass-produced in million units a day, and they were designed for radio performance rather than appearance. Today, all components are integrated inside the mobile phone to enable a product for the masses and not only the lucky few. For the radio performance this makes a large difference, especially the cellphones interaction with the user, which has a tendency to load the integrated antennas. This loading of the antennas means that the electronics inside the cellphone works sub-optimally, and a decrease in radio performance is inevitable, resulting in increased power consumption and reduced data rates. This problem can, however, be reduced by a concept called adaptive antenna impedance matching. This compensates for antenna loading effects, so that the electronics inside the cellphone can still operate with a close to optimum impedance, although the antenna impedance is changed due to user interaction. For adaptive impedance matching, the key component is the so called impedance tuner, which is studied, designed, and evaluated in this thesis. The requirements on this impedance tuner are very high, with low insertion loss, in-band distortion, out-of-band distortion, high tunability, and good power handling. The cost should also be as low as possible, which means that it should be implemented in a CMOS based technology suitable for mass-production. In this thesis, an impedance tuner is therefore designed and implemented in a CMOS-SOI technology. It has been verified to fulfill the requirements for use in a modern cellphone, with all measurements of key merits indicating high performance. Finally, it is worth to mention that this impedance tuner has also been used in a different project, where adaptive impedance matching was used in MIMO channel measurements with real cellphone users, but that project is outside the scope of this thesis.

The range of frequencies used for cellular communication has increased over the years, and today a large part of the so called sub-6 GHz frequency range is used. Most of the wireless services we have today use this decade wide frequency range (~600-6000 MHz), and although it is a wide frequency range, the spectrum is congested with a high density of communication. The circuits used to communicate in the sub-6 GHz bands must therefore have high RF-performance, and they should also be low cost since a large number of circuits is used to cover the complete frequency range. Difficulties reducing the cost per frequency band has drastically increased the cost of today’s cellphones. This thesis therefore proposes an alternative concept for the power amplifier, the key component in the transmitter of the mobile phone, with the goal to reduce the cost of and the number of power amplifier circuits required to cover the complete sub-6 GHz range. The core of the concept was first designed and verified by measurements, an injection-locked power amplifier with supply modulation and dynamic transistor bias, resulting in high efficiency and bandwidth. To further reduce the cost of the cellphone more of the transmitter functionality, i.e. the frequency up-conversion, was added to the power amplifier circuit, which also improved the overall transmitter performance. Furthermore, a new version of polar modulation is proposed, to reduce the baseband signal bandwidth expansion, which polar modulation is notorious for. The reduction in bandwidth expansion decreases the overall power consumption of the transmitter, since the baseband circuits can then have lower bandwidth and clock-frequency. To further reduce the number of power amplifier circuits needed to cover the entire sub-6 GHz range, the bandwidth of the circuit was improved using a new higher order output matching network, together with a dual output power amplifier, resulting in a circuit that can operate with high performance over the complete sub-6 GHz frequency range. The proposed solutions in this thesis can reduce the number of ICs in cellular devices, which benefits not only the production cost, but also has positive effects on the environment.

Under de tre senaste årtiondena har mobilindustrin utvecklats och utvecklat trådlösa system som blivit nödvändiga i vår vardag. Man kan säga att denna resa började med 2G, vilket faktiskt är den andra generationen för den mobila kommunikationen, men den första generationen som baserades på signalbehandling i den digitala domänen. När resan sedan fortsatte har digitalisering av mobila kommunikationssystem varit en stark trend, vilket innebär att det mesta av funktionaliteten nu är digital, och denna trend inom mobilindustrin är en del av trenden i dagens samhälle med genomgående digitalisering. Men själva de trådlösa signalerna är fortfarande analoga radiovågor som kommuniceras över etern med en fysisk antenn som bygger på samma principer som en vanlig antenn till radion eller TVn. Inuti mobiltelefonen finns dessa antenner kvar, men de syns inte från utsidan utan är inbyggda i telefonen, vilket har strömlinjeformat det estetiska utseendet. Denna integrering av antenner i dagens tunna mobiltelefoner har gett en ny utmaning, och det är hur antennerna fungerar vid beröring från användarens händer och huvud. Detta gör att elektroniken inte arbetar som det är tänkt, och telefonen kan då dra mer ström så att den måste laddas oftare. Men det finns en metod som kallas adaptiv matchning som kan minimera detta problem. Adaptiv matchning innebär att antennen är oförändrad ur elektronikens synvinkel, det vill säga för den elektronik som finns inuti mobiltelefonen. Ett huvudspår i denna avhandling har varit att undersöka så kallade impedanstuners, som är den viktigaste elektronikkomponenten för adaptiv matchning, och slutresultaten visar på en signifikant vinst i minskad effektförbrukning eller ökad datahastighet. De viktigaste egenskaperna för en impedanstuner, förutom att kompensera för antennens variationer, är att den ska kosta så lite pengar så möjligt vilket betyder att den måste byggas med halvledare i CMOS (som är billiga vid massproduktion), och att elektroniken i impedanstunern endast minimalt får förändra de analoga radiovågorna i form av dämpning och förvrängning av signalen. Denna avhandling uppvisar en impedanstuner i CMOS som uppfyller dessa krav.

Frekvensspektrumet för mobil kommunikation utökas ständigt, men delas i dagsläget mellan 2G, 3G, 4G, och snart kommer också 5G, och det kan därmed sägas att spektrumet är väldigt fullt. Detta betyder att kraven på elektroniken i en mobiltelefon är mycket höga, och att det dessutom behövs mer elektronik för att täcka många frekvensområden. Som en direkt konsekvens har totalkostnaden per mobiltelefon ökat. För att försöka minska kostnaden har därför en alternativ lösning för den dyraste komponenten föreslagits i denna avhandling. Komponenten är effektförstärkaren, som dessutom är den viktigaste byggstenen i en mobil sändare, och en av de största energiförbrukarna i en mobiltelefon och vars prestanda därför är centrala för att öka tiden mellan laddningarna. Effektförstärkaren måste med precision förstärka radiosignalerna innan de omvandlas till radiovågor i antennen, vilket måste ske med så lite strömförbrukning som möjligt, och komponenten i sig måste också ha en så låg kostnad som möjligt. Den alternativa lösning för effektförstärkare som tagits fram i avhandlingen har därför utvecklats för låg strömförbrukning samt för att uppfylla precisionskraven för mobil kommunikation, och CMOS har använts för att den potentiella kostnaden ska vara minimal vid massproduktion. För att vidareutveckla konceptet har ett elektroniksystem för sändare konstruerats som innehåller mer funktionalitet än endast den hos effektförstärkaren. Detta system ger generellt lägre strömförbrukning och leder också till att färre komponenter behövs vilket minskar produktionskostnaderna. Till systemet har också en ny signalbehandlingsalgoritm tagit fram vars huvudsyfte är att ytterligare sänka strömförbrukningen. Ett annat sätt att minska kostnaden är att minimera antalet dyra komponenter i mobiltelefonen genom att minska antalet effektförstärkare. Detta har också gjorts i denna avhandling genom att konstruera och utvärdera en effektförstärkare som har likvärdig prestanda i alla frekvensband där det finns mobil kommunikation i dagsläget. Som slutsats kan det nämnas att de kretslösningar som tagits fram har en hög komplexitet men också hög potential ur en kostnadssynvinkel och ur ett miljöperspektiv, för när antalet elektronik-komponenter minimeras per konsumentprodukt kommer kostnaden och miljö-påverkan från själva produktionen att minska.