Contribution à la conception optimale en terme de linéarité et consommation des amplificateurs de puissance en fonctionnement multiporteuses PDF Download
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Book Description
Les signaux traités par les systèmes de télécommunications actuels sont très complexes : multiporteuses modulées, modulation numérique et signaux à spectre étalé. La particularité de ces signaux est d’être des signaux à enveloppe variable. Pour caractériser la linéarité des amplificateurs de puissance de ces systèmes, l’un des critères qui s’impose aujourd’hui est le NPR (Noise Power Ratio). Après la description des moyens de caractérisations en fonctionnement CW et multiporteuses des amplificateur de puissance ainsi que des outils de simulations, une étude approfondie du facteur de linéarité en fonctionnement multiporteuses (le NPR) est entreprise. Une méthode de conception d’amplificateur de puissance optimisé en linéarité et en consommation a été développée. Cette méthode fait appel à une nouvelle figure de mérite spécifique (C/(N+I))=f(Pdc/N) qui intègre directement le rapport signal à bruit de la liaison dans l’optimisation conjointe de la consommation et du NPR. Une étude systématique des conditions de fonctionnement optimales des amplificateurs de puissances concernant les impédances de fermeture et les classes de fonctionnement est entreprise. On montre l’intérêt de la prise en compte des impédances de charge et de source à la 2ème harmonique dans la linéarité multiporteuse. La nouvelle méthodologie de conception est appliquée à la réalisation de deux amplificateurs optimisés en linéarité et consommation. Les étapes successives de la conception sont exposées en présentant en parallèle une vérification expérimentale des résultats. Une caractérisation complète sur banc des deux amplificateurs réalisés est présentée.
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Les signaux traités par les systèmes de télécommunications actuels sont très complexes : multiporteuses modulées, modulation numérique et signaux à spectre étalé. La particularité de ces signaux est d’être des signaux à enveloppe variable. Pour caractériser la linéarité des amplificateurs de puissance de ces systèmes, l’un des critères qui s’impose aujourd’hui est le NPR (Noise Power Ratio). Après la description des moyens de caractérisations en fonctionnement CW et multiporteuses des amplificateur de puissance ainsi que des outils de simulations, une étude approfondie du facteur de linéarité en fonctionnement multiporteuses (le NPR) est entreprise. Une méthode de conception d’amplificateur de puissance optimisé en linéarité et en consommation a été développée. Cette méthode fait appel à une nouvelle figure de mérite spécifique (C/(N+I))=f(Pdc/N) qui intègre directement le rapport signal à bruit de la liaison dans l’optimisation conjointe de la consommation et du NPR. Une étude systématique des conditions de fonctionnement optimales des amplificateurs de puissances concernant les impédances de fermeture et les classes de fonctionnement est entreprise. On montre l’intérêt de la prise en compte des impédances de charge et de source à la 2ème harmonique dans la linéarité multiporteuse. La nouvelle méthodologie de conception est appliquée à la réalisation de deux amplificateurs optimisés en linéarité et consommation. Les étapes successives de la conception sont exposées en présentant en parallèle une vérification expérimentale des résultats. Une caractérisation complète sur banc des deux amplificateurs réalisés est présentée.
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Les travaux présentés dans ce mémoire sont une contribution à la conception d'amplificateurs micro-ondes de puissance. Nous présentons dans une première partie les différentes caractéristiques (grandeurs électriques, classes de fonctionnement,...) de l'amplification de puissance dans le domaine des hyperfréquences ainsi que le large spectre de transistors disponibles actuellement pour des applications de puissance. Le deuxième chapitre traite des techniques de caractérisation du fonctionnement non-linéaire des transistors de puissance. A côté de l'équilibrage harmonique ou de la caractérisation load-pull, nous proposons l'utilisation des paramètres S large signal comme méthode alternative. Ces paramètres S large signal sont une extension dans le domaine non-linéaire de la notion de paramètres S petit signal et nous permettent d'approcher la solution optimale dans le cas d'applications faiblement non-linéaires. Dans une troisième partie, nous proposons une extension de la méthode des fréquences réelles, introduite à l'origine par Yarman et Carlin, à la conception d'amplificateurs de puissance. Ainsi, nous décrivons une démarche itérative de conception d'amplificateurs multi-étages qui, dans un premier temps, optimise les performances de l'étage de puissance avant de concevoir les étages situés en amont en progressant vers le générateur. Nous avons vérifié la validité de cette démarche par la réalisation de deux amplificateurs de puissance en bande S. Un premier module a été construit autour d'un MESFET de puissance afin d'optimiser la puissance ajoutée. Un deuxième montage, basé sur trois transistors, a pour objectif d'optimiser à la fois la puissance ajoutée de l'étage de puissance et le gain linéaire des deux premiers étages.
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LE TRAVAIL DE THESE PRESENTE TRAITE DES PHENOMENES NON-LINEAIRES DES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE A EXCITATION D'ENTREE SINUSOIDALE, DANS L'OBJECTIF D'UNE OPTIMISATION DU RENDEMENT ELECTRIQUE D'UNE PART, ET DE LA RECHERCHE SYSTEMATIQUE DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT PARTICULIERES PERMETTANT D'ATTEINDRE DES COMPROMIS LINEARITE/RENDEMENT INTERESSANTS D'AUTRE PART. OR, UNE ATTENTION PARTICULIERE A ETE PORTEE A L'AMELIORATION DU RENDEMENT ELECTRIQUE DU COMPOSANT ACTIF PAR LA MISE EN EVIDENCE DES RESISTANCES DE SORTIE APPROPRIEES A LUI PRESENTER A LA FREQUENCE FONDAMENTALE ET AUX FREQUENCES HARMONIQUES, AFIN D'OBTENIR DES TENSIONS DE SORTIE AYANT DES FORMES D'ONDE PARTICULIERES. EN CONSIDERANT UN FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR DANS UNE CLASSE DE FONCTIONNEMENT CLASSIQUE (A, AB ET B), LA PREMIERE PARTIE DU MEMOIRE DE THESE MONTRE L'INFLUENCE DU POINT DE REPOS SUR LES PRINCIPALES GRANDEURS ELECTRIQUES DU TRANSISTOR TELLES QUE LA PUISSANCE DE SORTIE, LE GAIN EN PUISSANCE ET LE RENDEMENT ELECTRIQUE. CETTE PREMIERE PARTIE MONTRE AUSSI L'INFLUENCE DES PERTES DU FILTRE DE SORTIE SUR LE RENDEMENT ELECTRIQUE AINSI QUE LA POSSIBILITE D'AUGMENTER LE RENDEMENT ELECTRIQUE DU TRANSISTOR PAR LA MISE EN FORME DE LA TENSION DE SORTIE EN CLASSE F. LA DEUXIEME PARTIE DU MEMOIRE DE THESE TRAITE LES DISTORSIONS NON-LINEAIRES DU SIGNAL DE SORTIE DU TRANSISTOR TELLES QUE LES CONVERSIONS AM/AM ET AM/PM ET L'INTERMODULATION D'ORDRE TROIS. CETTE ETUDE MONTRE, ENTRE AUTRES, UNE CORRELATION ETROITE ENTRE LE MINIMUM DES DISTORSIONS NON-LINEAIRES ET L'ANNULATION DE LA COMPOSANTE DE COURANT DE DRAIN A LA FREQUENCE HARMONIQUE TROIS. CECI NOUS A PERMIS DE DETERMINER LES POINTS DE FONCTIONNEMENT QUI SE PRETENT PARTICULIEREMENT BIEN POUR REALISER DES COMPROMIS LINEARITE/RENDEMENT INTERESSANTS. CES TROIS PARTIES THEORIQUES ONT ETE COMPLETEES PAR LA CONCEPTION ET LA REALISATION DE QUATRE AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE INTEGRES ET D'UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE HYBRIDE TRAVAILLANT EN CLASSE F AVEC UN RENDEMENT EN PUISSANCE AJOUTEE DE 74%
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L'amplificateur de puissance est le module le plus critique dans les équipements de communication radio. Il détermine la qualité de la liaison par sa linéarité et a une contribution conséquente dans la consommation de l'émetteur ; environ 60% de l'énergie consommée est consacré à l'amplification. Il est donc crucial de le faire fonctionner avec un rendement énergétique élevé. Cependant, ces deux spécifications principales de l'amplificateur que sont la linéarité et le rendement énergétique sont antagoniques. Par conséquent, la conception d'un module d'amplification de puissance suppose de trouver un compromis entre la linéarité et le rendement. L'optimisation de ce compromis est la raison d'être des techniques de linéarisation d'amplificateurs et d'amélioration du rendement, parmi lesquelles la prédistorsion numérique (DPD) et les techniques de réduction du PAPR du signal (CFR).Le cœur de cette thèse est la linéarisation d'amplificateurs RF haute-puissance et large-bande par prédistorsion numérique (DPD). Dans ces travaux, nous abordons trois problématiques liées à la prédistorsion et qui constituent des verrous technologiques importants. Le premier aspect concerne l'implémentation de la prédistorsion numérique dans un contexte multi-bande où le signal à linéariser comporte plusieurs formes d'ondes, situées à des fréquences différentes. La seconde problématique est l'utilisation conjointe de la prédistorsion avec une technique de CFR. Dans la majorité des applications haute-puissance, les techniques de DPD et de CFR sont présentes de manière complémentaire, cependant elles sont utilisées de façon autonome et disjointe. Celles-ci gagneraient en performances de linéarisation en étant implémentées de manière plus concertée. . Le dernier thème abordé par cette thèse est l'effet des désadaptations d'impédance de l'antenne sur le mode de fonctionnement de l'amplificateur. La variation de l'impédance d'antenne entraine des réflexions de signal vers l'amplificateur qui modifient ses spécifications de linéarité et de rendement. Nous améliorons la linéarité du système DPD + AP, lorsque l'amplificateur est soumis à des variations de l'impédance à sa charge, grâce à une correction adaptative de gain.
Author: Tony Gasseling Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 229
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Le travail présenté dans ce mémoire propose une contribution à la conception optimisée d'amplificateurs de puissance par l'utilisation de plusieurs caractérisations fonctionnelles. Celles ci sont réalisées aux premiers stades de la conception, au niveau du transistor en environnement source et load pull. Il est ainsi montré qu'un banc load pull fonctionnant en mode pulsé permet de participer à la validation des technologies utilisées pour la génération de fortes puissances aux fréquences microondes (Bande S). Cette étape permet également de valider fortement les modèles non linéaires électrothermiques des transistors développés à cet effet. Dans le domaine millimétrique, l'amplification de puissance sous contrainte de rendement et de linéarité est à l'heure actuelle un des points critiques du fait des faibles réserves de gain proposées. Dans ce contexte, le développement d'un banc source et load pull actif fonctionnant en bande K et permettant de déterminer les conditions optimales de polarisation et d'adaptation pour l'obtention du meilleur compromis rendement/linéarité se révèle être de première importance pour la conception optimisée d'amplificateur. Enfin, une nouvelle technique de caractérisation dédiée à l'extraction des quatre paramètres S à chaud en environnement load pull est proposée. Une application de cette nouvelle caractérisation a ainsi permis de prédire les oscillations paramétriques hors bande pouvant apparaître en fonction des conditions opératoires lorsque le transistor fonctionne en régime fort signal
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CE MEMOIRE EST CONSACRE A LA MODELISATION NON-LINEAIRE DU TBH, APPLIQUEE A L'ETUDE ET A L'OPTIMISATION DU MONTAGE CASCODE POUR DES APPLICATIONS DE PUISSANCE LARGE BANDE. LE PREMIER CHAPITRE DEBUTE PAR UNE PRESENTATION RAPIDE DU FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR BIPOLAIRE ET IDENTIFIE LES AVANTAGES ET INCONVENIENTS DES DIFFERENTES FILIERES DE CE TRANSISTOR. CECI EST POURSUIVI PAR UNE ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE PORTANT SUR LES TRANSISTORS ET LES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE DE LA BANDE L A LA BANDE KA, AFIN DE CONFIRMER LES POTENTIALITES DU TBH GAAS VIS A VIS DES AUTRES FILIERES DE TRANSISTORS POUR LES APPLICATIONS DE PUISSANCE. LE SECOND CHAPITRE EST ALORS CONSACRE A LA PRESENTATION D'UN MODELE NON LINEAIRE, NON-QUASI-STATIQUE ET ELECTRO-THERMIQUE DU TBH GAAS. LES DIFFERENTES ETAPES PERMETTANT DE L'OBTENIR, AINSI QUE SA VALIDATION A TRAVERS DIFFERENTES MESURES EN PUISSANCE SONT PRESENTEES. DANS LE TROISIEME CHAPITRE, LA MISE EN EVIDENCE DE CORRELATIONS EXISTANTES ENTRE LES PERFORMANCES DES AMPLIFICATEURS DISTRIBUES DE PUISSANCE ET CELLES DES CELLULES ELEMENTAIRES QUI LES COMPOSENT, CONDUISENT A METTRE EN AVANT LES AVANTAGES DU MONTAGE CASCODE POUR CE TYPE D'APPLICATION. L'OPTIMISATION DE CE MONTAGE, ABOUTIT ALORS A LA PRESENTATION DES DIFFERENTES ETAPES DE CONCEPTION ET DES PREMIERES MESURES DE DEUX AMPLIFICATEURS DISTRIBUES DE PUISSANCE EN TECHNOLOGIE MMIC. LE PREMIER SIMULE DANS LA BANDE 4.5-18GHZ, MONTRE L'INTERET D'UTILISER LE MONTAGE CASCODE POUR DISPOSER D'UN GAIN SUFFISANT A 18GHZ, LORS DE LA CONCEPTION D'AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE A BASE DE TBH. LES PREMIERES MESURES EN IMPULSION DU DEUXIEME AMPLIFICATEUR, CONFIRMENT POUR LEUR PART, LES DIFFERENTS ARGUMENTS PLAIDANT EN FAVEUR DU MONTAGE CASCODE POUR LES APPLICATIONS LARGES BANDES DE FORTE PUISSANCE. LA PUISSANCE DE SORTIE MESUREE SUR LA BANDE 2-8GHZ EST EN EFFET PROCHE DE 2W, AVEC UN GAIN ASSOCIE MOYEN DE 8DB ET UN RENDEMENT EN PUISSANCE AJOUTEE MOYEN DE 24%.
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Les travaux développés ici traitent de la mise en œuvre de techniques de protection et de linéarisation permettant aux modules d'amplification de puissance de répondre à toutes les contraintes de la téléphonie mobile que sont la robustesse, la linéarité, une très faible consommation, la miniaturisation et le coût. Dans une première partie, nous traitons de l'amélioration de la robustesse des amplificateurs de puissance RF vis-à-vis des désadaptations d'impédance induites par les variations d'environnement de l'antenne du téléphone portable. L'analyse des mécanismes de défaillance, des transistors HBT GaAs et HBT SiGe, nous mène à conclure à la nécessaire limitation du courant de l'étage final. Nous avons alors conçu un circuit de protection original, basé sur la détection précise du courant collecteur des transistors de puissance. De très faibles dimensions et monolithiquement intégrable, ce circuit n'altère ni la puissance de sortie, ni le rendement en puissance ajoutée lorsque l'amplificateur est nominalement chargé sur 50 Ohms. Un amplificateur de puissance RF intégrant ce dispositif a supporté tous les tests de robustesse jusqu'à des valeurs de VSWR supérieures à dix et pour des tensions de batterie supérieures à cinq volts. La simplicité et l'efficacité du circuit de détection de courant nous a conduit, dans un second temps, à envisager la conception d'un circuit de linéarisation monolithiquement intégrable sur un amplificateur de puissance RF, pour les standards EDGE et WCDMA. Le principe de linéarisation par injection d'enveloppe a alors été mis en œuvre grâce à une nouvelle topologie pour la détection de l'enveloppe du signal modulé. En raison de la très faible consommation en courant du dispositif innovant de linéarisation, il devient possible de s'affranchir du compromis linéarité/rendement en puissance ajoutée, intervenant généralement. Ce dispositif a été implémenté sur un amplificateur de puissance en technologie HBT SiGe. La Linéarité de l'amplificateur a ainsi été améliorée de 12 dB à la puissance de sortie nominale, tout en maintenant constant le rendement en puissance ajoutée de l'amplificateur, même pour les faibles puissances de sortie (low power mode).
Author: Jérôme Lajoinie
Author: Jérôme Lajoinie
Author: Mathieu Hazouard
Author: STEFAN.. DIETSCHE
Author: Amadou Mbaye
Author: Tony Gasseling
Author: Jean-Philippe Fraysse
Author: Walid Karoui