Progettazione di amplificatori di potenza a livello di watt e alta linearità in tecnologia SiGe BiCMOS per applicazioni 6G nella banda FR3

This dissertation addresses the design and characterization of silicon–germanium (SiGe) BiCMOS heterojunction bipolar transistor (HBT) power amplifiers targeting the emerging FR3 frequency range (7–24 GHz) for 5G-Advanced and 6G wireless communication systems. Compared to the sub-6 GHz band, achieving watt-level output power with high gain, efficiency, and linearity in FR3 is challenging due to device limitations, reduced isolation, stronger parasitic effects, and more stringent modulation requirements. To optimize the trade-offs among gain, efficiency, output power, and linearity, several PA architectures were investigated, including stacked and cascode variants. A 3.3 V stacked amplifier operating from 5 GHz to 10 GHz demonstrated watt-level output power while exploiting low-breakdown-voltage devices, showing reliable operation with a supply voltage more than twice the nominal device rating. Cascode amplifiers enabled 5 V operation using medium-speed, higher-breakdown-voltage transistors as common-base devices. Several prototypes were fabricated, including watt-level amplifiers covering the 6–8 GHz band and a 27 dBm Psat cascode PA in the 10–15 GHz range. To demonstrate the integration potential of SiGe BiCMOS, a cascode PA was integrated with a low-noise amplifier and a CMOS SPDT switch in a fully integrated front-end module (FEM) for Wi-Fi 6/6e. Another contribution of this work is the study of the impact of output conjugate matching on amplifier efficiency. A large-signal theoretical model was developed to show that, contrary to common assumptions in the literature, simultaneous conjugate and load-line matching is achievable without significantly degrading efficiency. Comprehensive small-signal, continuous-wave, and modulated measurements were carried out, including EVM and ACLR evaluations under wideband 5G NR and Wi-Fi 6/6E signals. The results demonstrate that SiGe BiCMOS HBT amplifiers can achieve state-of-the-art performance in the FR3 band, providing a cost-effective and CMOS-compatible alternative to III–V technologies. In conclusion, this dissertation provides both a validated design methodology and experimental results that advance the state-of-the-art of SiGe BiCMOS HBT power amplifiers in the FR3 band, paving the way for future watt-level, high-linearity transmitters for 5G-Advanced and 6G applications.

Questa dissertazione affronta la progettazione e la caratterizzazione di amplificatori di potenza basati su transistor bipolari a eterogiunzione (HBT) in tecnologia BiCMOS al silicio-germanio (SiGe), destinati alla banda di frequenze FR3 (7–24 GHz) per i sistemi di comunicazione wireless 5G-Advanced e 6G. Rispetto alla banda sub-6 GHz, ottenere potenze di uscita dell’ordine del watt con elevato guadagno, efficienza e linearità nella banda FR3 risulta più impegnativo a causa delle limitazioni intrinseche dei dispositivi, della minore isolamento, della maggiore influenza dei parassiti e dei requisiti di modulazione più stringenti. Per ottimizzare il trade-off tra guadagno, efficienza, potenza di uscita e linearità, sono state studiate diverse topologie di amplificatori di potenza integrati, tra cui configurazioni stacked e cascode. Un amplificatore stacked alimentato a 3,3 V, operante tra 5 GHz e 10 GHz, ha dimostrato un funzionamento a livello di watt sfruttando dispositivi a bassa tensione di breakdown, con funzionamento affidabile con una tensione di alimentazione superiore al doppio del valore nominale del dispositivo. Gli amplificatori in configurazione cascode hanno invece consentito un funzionamento a 5 V utilizzando transistor medium speed, con maggiore tensione di breakdown, come dispositivi a base comune. Sono stati realizzati diversi prototipi, tra cui amplificatori a livello di watt operanti nella banda 6–8 GHz e un PA cascode con Psat di 27 dBm nella banda 10–15 GHz. Per dimostrare il potenziale di integrazione della tecnologia SiGe BiCMOS, un amplificatore cascode è stato integrato con un amplificatore a basso rumore (LNA) e uno switch SPDT in CMOS in un front-end module (FEM) completamente integrato per applicazioni Wi-Fi 6/6e. Un ulteriore contributo della tesi riguarda lo studio dell’impatto dell’adattamento di impedenza di uscita sull’efficienza dell’amplificatore. È stato sviluppato un modello teorico di grande segnale che dimostra come, contrariamente a quanto comunemente riportato in letteratura, sia possibile ottenere simultaneamente un adattamento dell'impedenza di uscita e l'ottimizzazione della retta di carico e senza degradare significativamente l’efficienza. Sono state eseguite misure complete in piccolo segnale, in regime continuo e con segnali modulati, includendo la valutazione di EVM e ACLR usando segnali a banda larga 5G NR e Wi-Fi 6e. I risultati mostrano che gli amplificatori HBT in tecnologia SiGe BiCMOS possono raggiungere prestazioni allo stato dell’arte nella banda FR3, offrendo un’alternativa economica e compatibile con il processo CMOS rispetto alle tecnologie III-V. In conclusione, questo lavoro di ricerca fornisce sia una metodologia di progetto validata sia risultati sperimentali che avanzano lo stato dell’arte degli amplificatori di potenza HBT in tecnologia SiGe BiCMOS nella banda FR3, aprendo la strada a futuri trasmettitori a livello di watt e ad alta linearità per applicazioni 5G-Advanced e 6G.