Unary power DAC supply modulator for wideband envelope tracking

Wireless telecommunications are constantly evolving to fulfill the needs of today's society, that requires more and more data exchange at ever increasing rates. New standards are increasingly required to offer adequate performances not only from the traditional point of view of data rate, bandwidth usage, coverage and so on, but also from the environmental perspective: energy efficiency nowadays is a very important aspect with strict requirements. Modern standards can guarantee higher spectral efficiencies by using ever more complex modulations and transmission schemes, such as very large constellation QAM and OFDM; the resulting signals, however, have a very high Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) that translates into a very relevant problem for the energy efficiency of wireless transmitters. Traditional radio frequency power amplifiers, in fact, constantly absorb an amount of power corresponding to the peak power they must produce at their output, regardless of the signal variations; since peaks occur rarely, this means that for the majority of time a lot of power is wasted, leading to a poor efficiency. Fortunately, several techniques exist to improve the efficiency of wireless transmitters; one of the most promising is Envelope Tracking (ET), whose basic concept is to supply the RF power amplifier with a variable voltage, modulated according to the signal that has to be amplified. This work focuses on Envelope Tracking and proposes a variable power supply scheme to try to overcome the limitations of the existing ones, namely the limited bandwidth and the output power capabilities. The proposed system is composed by a multilevel converter combined with a precise control logic that enables the tracking of wideband signals; a band-separation approach also ensures good efficiency and high output power. The so-called “Unary Power DAC”, either in DC- or AC-coupled form, has been designed and analyzed from a high-level point of view, specifically without considering purely electrical parameters, but always keeping in mind the practical feasibility. The designed system is patent pending [A. Spalvieri, S. Sperotto, and S. Gambarotta, “Alimentatore a inseguimento di inviluppo a larga banda per amplificatore RF, e metodo di gestione di tale alimentatore,” Italian Patent Application 102020000006418, 26 March 2020].

I sistemi di telecomunicazione radio sono in costante evoluzione per soddisfare le esigenze della società moderna, che richiede di scambiare sempre più dati e sempre più rapidamente. Ai nuovi standard viene richiesto di garantire prestazioni adeguate non solo dal punto di vista della velocità di scambio dei dati, dell'utilizzo della banda, della copertura e così via, ma anche per quello che riguarda l'ambiente: l'efficienza energetica oggi è un aspetto molto importante e strettamente normato. Gli standard moderni garantiscono efficienze spettrali sempre più alte utilizzando modulazioni e sistemi di trasmissione sempre più complessi, come ad esempio QAM con costellazioni molto estese e OFDM; i segnali risultanti, però, presentano un rapporto potenza di picco - potenza media (PAPR) molto elevato, che si traduce in un problema rilevante per l'efficienza energetica dei sistemi di trasmissione radio. Gli amplificatori in radiofrequenza tradizionali, infatti, assorbono costantemente una potenza corrispondente al picco del segnale che producono in uscita, indipendentemente dalle variazioni del segnale stesso; dato che i picchi si presentano raramente, ciò significa che per la maggior parte del tempo una grande quantità di potenza viene sprecata, causando una scarsa efficienza. Fortunatamente esistono diverse tecniche per aumentare l'efficienza dei trasmettitori radio; una delle più promettenti è l'Envelope Tracking (ET, inseguimento dell'inviluppo), la cui idea di base prevede di alimentare l'amplificatore RF con una tensione variabile, modulata in accordo con il segnale che deve essere amplificato. Questo lavoro si concentra sull'Envelope Tracking e propone un alimentatore a tensione variabile che cerca di superare le limitazioni di quelli già esistenti, ovvero la limitata banda e la limitata potenza in uscita. Il sistema proposto è composto da un convertitore multilivello combinato con una precisa logica di controllo che permette di inseguire segnali a banda larga; un approccio basato sulla separazione in sottobande, inoltre, garantisce una buona efficienza e un'alta potenza in uscita. Il cosiddetto “Unary Power DAC” (“DAC di potenza unario”), accoppiato in DC o in AC, è stato progettato e analizzato da un punto di vista di alto livello, senza considerare nello specifico i parametri puramente elettrici, ma sempre tenendone a mente la realizzabilità pratica. Il sistema progettato è in attesa di brevetto [A. Spalvieri, S. Sperotto, S. Gambarotta, “Alimentatore a inseguimento di inviluppo a larga banda per amplificatore RF, e metodo di gestione di tale alimentatore,” numero di deposito 102020000006418, 26 marzo 2020].