Gallium nitride (GaN) high-electron-mobility transistors (HEMTs) have
emerged as the most compelling technology for the transmission of highpower
radio-frequency (RF) signals for cellular mobile communications and
radar applications. However, despite their remarkable power capabilities, the
deployment of GaN HEMT-based RF power amplifiers (PAs) in the mobile
communications infrastructure is often ruled out in favor of alternative siliconbased
technologies. One of the main reasons for this is the pervasiveness of
nonlinear long-term memory effects in GaN HEMT technology caused by thermal
and charge-trapping phenomena. While these effects can be compensated
for using sophisticated digital predistortion algorithms, their implementation
and model-extraction complexity—as well as the power necessary for
their real-time execution—make them unsuitable for modern small cells and
large-scale multiple-input multiple-output transceivers, where the power necessary
for the linearization of each amplification element is of great concern.
In order to address these issues and further the deployment of high-powerdensity
high-efficiency GaN HEMT-based RF PAs in next-generation communications
and radar applications, in this thesis we propose novel methods for
the characterization, modeling, and compensation of long-term memory effects
in GaN HEMT-based RF PAs. More specifically, we propose a method
for the characterization of the dynamic self-biasing behavior of GaN HEMTbased
RF PAs; multiple behavioral models of charge trapping and their implementation
as analog electronic circuits for the accurate real-time prediction
of the dynamic variation of the threshold voltage of GaN HEMTs; a method
for the compensation of the pulse-to-pulse instability of GaN HEMT-based
RF PAs for radar applications; and a hybrid analog/digital scheme for the
linearization of GaN HEMT-based RF PAs for next-generation communications
applications.Os transístores de alta mobilidade eletrónica de nitreto de gálio (GaN HEMTs)
são considerados a tecnologia mais atrativa para a transmissão de sinais
de radiofrequência de alta potência para comunicações móveis celulares e
aplicações de radar. No entanto, apesar das suas notáveis capacidades de
transmissão de potência, a utilização de amplificadores de potência (PAs)
baseados em GaN HEMTs é frequentemente desconsiderada em favor de
tecnologias alternativas baseadas em transístores de silício. Uma das principais
razões disto acontecer é a existência pervasiva na tecnologia GaN
HEMT de efeitos de memória lenta causados por fenómenos térmicos e de
captura eletrónica. Apesar destes efeitos poderem ser compensados através
de algoritmos sofisticados de predistorção digital, estes algoritmos não são
adequados para transmissores modernos de células pequenas e interfaces
massivas de múltipla entrada e múltipla saída devido à sua complexidade
de implementação e extração de modelo, assim como a elevada potência
necessária para a sua execução em tempo real. De forma a promover a
utilização de PAs de alta densidade de potência e elevada eficiência baseados
em GaN HEMTs em aplicações de comunicação e radar de nova geração,
nesta tese propomos novos métodos de caracterização, modelação,
e compensação de efeitos de memória lenta em PAs baseados em GaN
HEMTs. Mais especificamente, nesta tese propomos um método de caracterização
do comportamento dinâmico de autopolarização de PAs baseados
em GaN HEMTs; vários modelos comportamentais de fenómenos de captura
eletrónica e a sua implementação como circuitos eletrónicos analógicos para
a previsão em tempo real da variação dinâmica da tensão de limiar de condução
de GaN HEMTs; um método de compensação da instabilidade entre
pulsos de PAs baseados em GaN HEMTs para aplicações de radar; e um
esquema híbrido analógico/digital de linearização de PAs baseados em GaN
HEMTs para comunicações de nova geração.Programa Doutoral em Telecomunicaçõe
