Post-doctorat : Modélisation d’amplificateurs de puissance pour une application 5G

Contexte (projet ANR PEPR 5G)

La génération de communication 5G, contrairement aux réseaux mobiles actuels, n’est pas
axée prioritairement sur la téléphonie. En effet, plusieurs applications majeures la peuvent
l’utiliser comme la ville intelligente (smart-city), la maison connectée, les transports connectés,
la santé connectée, …
Les principales spécifications fixées actuellement sont :

un temps de latence entre 1ms et 5ms
une augmentation du débit de données (10Gb/s, soit 10 fois supérieur à la 4G)
une augmentation de la couverture réseau
une réduction de la consommation (d’au moins 90%).

Plusieurs bandes de fréquence sont possibles : 24.25-27.25GHz; 31.8-33.4GHz; 37-43.5GHz; 45.5-50.2GHz; 50.4-52.6GHz; 66-76GHz; 81-86GHz. La modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), largement adoptée pour la 4G, est favorite pour le développement de la 5G même si la latence pourrait impacter ce choix et pousser vers des solutions alternatives. Dans les systèmes actuels, l’amplificateur de puissance est le composant qui impacte le plus la consommation et l’intégrité du signal (« Dirty RF »). Outre les contraintes habituelles en termes de consommation et linéarité, les nouvelles spécifications introduisant le besoin de flexibilité vont imposer l’amplificateur de puissance comme l’élément clé dans les futurs dispositifs 5G (1)(2)(3).

Le laboratoire ETIS, par l’intermédiaire du CNRS a répondu à l’appel à projet national PEPR (Programme et équipements prioritaires de recherche) 5G et Réseaux du futur, et obtenu un financement pour un contrat de 18 mois de post-doctorat. Le sujet décrit ci-dessous concerne la modélisation de l’amplificateur de puissance pour des architectures de type « celle free-massive MIMO ».

(1) Jeffrey S. Walling, The Switched-Capacitor Power Amplifier: A Key Enabler for Future Communications Systems, ESSCIRC 2019 – IEEE 45th European Solid State Circuits Conference, doi 10.1109/ESSCIRC 2013.8902890
(2) G. Xu, V. Lampu, M. Kosumen, V. Unnikrishnan, J. Ryynänen, M. Valkama and L. Anttila, Digital Polar Transmitters for Massive MIMO : Sum-rate and Power Efficiency Analysis, in IEEE Transactions on Wireless Communications, doi: 10.1109/TWC.2023.3282158
(3) J. Zanen, E. Klumperink and B. Nauta, “A Predistortion-Less Digital MIMO Transmitter With DTC-Based Quadrature Imbalance Compensation,” in IEEE Journal of Solid-State Circuits, doi: 10.1109/JSSC.2023.3255741.

Sujet de post-doc

Le projet entre dans le cadre du programme PERSEUS du PEPR 5G.

L’objectif de cette étude est de proposer un modèle d’amplificateurs de puissance permettant par la suite une étude d’impact de ses caractéristiques sur les performances d’un système d’émission pour une application 5G et la technologie CF-mMIMO. L’architecture de l’amplificateur choisie est le SCPA (Switch Capacitor Power Amplifier). Des techniques d’amélioration de performances seront également étudiées.

Les amplificateurs digitaux (SCPA) semblent être aujourd’hui une solution intéressantes face aux amplificateurs classiques en termes d’efficacité et d’intégration. La structure de ces amplificateurs à base d’inverseurs nécessite une nouvelle évaluation des défauts à corriger dans la chaine de transmission. Par exemple, quels sont les effets mémoire dans ce type d’architecture. Afin de bien appréhender le fonctionnement des SCPA, un démonstrateur simple devra être réalisé et mesuré afin de valider le futur modèle. Les résultats obtenus seront valorisés par des articles en conférences et/ou dans des revues. Des points d’avancement seront réalisés régulièrement avec les participants au projet PEPR.

Planning

Date de démarrage : 1er octobre 2023
T0-T0+6mois : Bibliographie
T0+3 mois -T0+6mois : Analyse de mesures d’un SCPA
T0+6 mois -T0+12mois : Proposition et optimisation de modèles du SCPA
T0+12 mois -T0+18mois : Analyse de performances et proposition d’améliorations

Financement (garanti) : CDD, vacations d’enseignement possibles.

Compétences requises

Maîtriser les différentes caractéristiques d’un amplificateur de puissance et des chaînes d’émission
Connaître les techniques de modulation numérique (type OFDM)
Maîtriser les logiciels ADS, Matlab

Pour candidater : transmettre par mail aux 2 encadrants un CV, une lettre de motivation, deux contacts de référence (nom et adresse mail).

Informations clés

Période : à partir d’octobre 2023 pour 18 mois
Etablissement : ENSEA (Ecole Nationale Supérieure d’Electronique et de ses Applications), 6 avenue du Ponceau, 95014 Cergy-Pontoise Cedex.

Laboratoire : ETIS (Equipes Traitement de l’Information et Systèmes), Laboratoire CNRS (UMR8051) commun entre l’ENSEA et l’Université de Cergy-Pontoise.

Encadrement :