Etude et conception de systèmes de caractérisation fonctionnelle dans le domaine temporel des transistors de puissance radiofréquences et microondes PDF Download
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L'ETUDE ET LA CONCEPTION DE SYSTEMES INNOVANTS DE CARACTERISATION FONCTIONNELLE MULTIHARMONIQUE, DANS LE DOMAINE TEMPOREL, DE COMPOSANTS DE PUISSANCE AUX FREQUENCES MICROONDES CONSTITUENT LE THEME ESSENTIEL DE CETTE THESE. L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL CONSISTE A POUVOIR VISUALISER, EN TEMPS REEL, LES FORMES D'ONDES DES TENSIONS ET DES COURANTS PRESENTS AUX ACCES D'UN COMPOSANT EN FONCTION DES EXCITATIONS ET DES IMPEDANCES DE CHARGE OU DE SOURCE PRESENTEES AUX TROIS PREMIERES FREQUENCES HARMONIQUES. POUR Y PARVENIR, DEUX NOUVEAUX SYSTEMES DE MESURE, UN ANALYSEUR DE RESEAU VECTORIEL CONVENTIONNEL MODIFIE ET UN ANALYSEUR DE RESEAUX NON LINEAIRES, ONT ETE ASSOCIES A UN BANC LOAD-PULL ET SOURCE-PULL MULTIHARMONIQUE UTILISANT LA TECHNIQUE DE LA BOUCLE ACTIVE AUX TROIS PREMIERES FREQUENCES HARMONIQUES. DES EXCITATIONS SIMPLES (MONOPORTEUSE) OU PLUS COMPLEXES (BIPORTEUSE) ONT ETE APPLIQUEES AUX TRANSISTORS AFIN DE : - MESURER ET OPTIMISER LES PERFORMANCES EN PUISSANCE, EN RENDEMENT ET EN LINEARITE DES TRANSISTORS PAR LE CONTROLE DES FORMES D'ONDES DES TENSIONS ET COURANTS, - VALIDER DES METHODES DE CONCEPTION UTILISEES EN CAO, - VALIDER TRES FINEMENT LES MODELES NON LINEAIRES DES COMPOSANTS RADIOFREQUENCES ET MICROONDES.
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L'ETUDE ET LA CONCEPTION DE SYSTEMES INNOVANTS DE CARACTERISATION FONCTIONNELLE MULTIHARMONIQUE, DANS LE DOMAINE TEMPOREL, DE COMPOSANTS DE PUISSANCE AUX FREQUENCES MICROONDES CONSTITUENT LE THEME ESSENTIEL DE CETTE THESE. L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL CONSISTE A POUVOIR VISUALISER, EN TEMPS REEL, LES FORMES D'ONDES DES TENSIONS ET DES COURANTS PRESENTS AUX ACCES D'UN COMPOSANT EN FONCTION DES EXCITATIONS ET DES IMPEDANCES DE CHARGE OU DE SOURCE PRESENTEES AUX TROIS PREMIERES FREQUENCES HARMONIQUES. POUR Y PARVENIR, DEUX NOUVEAUX SYSTEMES DE MESURE, UN ANALYSEUR DE RESEAU VECTORIEL CONVENTIONNEL MODIFIE ET UN ANALYSEUR DE RESEAUX NON LINEAIRES, ONT ETE ASSOCIES A UN BANC LOAD-PULL ET SOURCE-PULL MULTIHARMONIQUE UTILISANT LA TECHNIQUE DE LA BOUCLE ACTIVE AUX TROIS PREMIERES FREQUENCES HARMONIQUES. DES EXCITATIONS SIMPLES (MONOPORTEUSE) OU PLUS COMPLEXES (BIPORTEUSE) ONT ETE APPLIQUEES AUX TRANSISTORS AFIN DE : - MESURER ET OPTIMISER LES PERFORMANCES EN PUISSANCE, EN RENDEMENT ET EN LINEARITE DES TRANSISTORS PAR LE CONTROLE DES FORMES D'ONDES DES TENSIONS ET COURANTS, - VALIDER DES METHODES DE CONCEPTION UTILISEES EN CAO, - VALIDER TRES FINEMENT LES MODELES NON LINEAIRES DES COMPOSANTS RADIOFREQUENCES ET MICROONDES.
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L'ETUDE ET LA CONCEPTION D'UN SYSTEME DE CARACTERISATION EXPERIMENTALE FONCTIONNELLE MULTIHARMONIQUE DES TRANSISTORS DE PUISSANCE CONSTITUENT LE THEME ESSENTIEL DE CE MEMOIRE. LE SYSTEME DEVELOPPE REPOSE SUR L'UTILISATION DE LA TECHNIQUE DE LA BOUCLE ACTIVE ETENDUE AUX TROIS PREMIERES FREQUENCES HARMONIQUES. L'ORIGINALITE DU SYSTEME RESIDE DANS LE FAIT QU'A LA FREQUENCE FONDAMENTALE, IL COMBINE LA TECHNIQUE DE LA BOUCLE ACTIVE AVEC LA TECHNIQUE DE LA DESADAPTATION PASSIVE RESIDUELLE. LA REPARTITION DES IMPEDANCES DE CHARGE A FO EST ALORS NATURELLEMENT FOCALISEE DANS LA ZONE ACTIVE DU COMPOSANT SOUS TEST, LIMITANT AINSI CONSIDERABLEMENT LES RISQUES DE DETERIORATION DE CELUI-CI. CETTE TECHNIQUE PERMET LA MISE EN UVRE D'UNE METHODOLOGIE EFFICACE D'OPTIMISATION EXPERIMENTALE DES CLASSES DE FONCTIONNEMENT A HAUT RENDEMENT DES TRANSISTORS RF ET MICROONDES
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De nos jours, les systèmes de télécommunications deviennent de plus en plus complexes et sophistiqués. Les perfonnances électriques des transistors hyperfréquences qui les constituent, doivent être améliorées en tenne de fréquence, de puissance, de rendement et de linéarité. Dans le cas des transistors de puissance la caractérisation non linéaire est une étape indispensable afin de mieux comprendre et appréhender les effets limitatifs et d'optimiser leur conception. Dans ce cadre, l'objectif de cette thèse a été de mettre en œuvre un analyseur de réseaux non linéaire, de valider les mesures provenant de cet équipement et de développer des outils de mesures et d'analyse dans le domaine temporel afin de mieux appréhender les effets limitatifs des transistors à effet de champ aux fréquences micro-ondes. Dans un premier temps, nous avons montré l'importance de la caractérisation non linéaire hyperfréquence lors de la conception de circuits actifs. Nous avons effectué ensuite une étude bibliographique des principaux systèmes de caractérisation non linéaires existants et qui ont été précurseurs dans ce domaine.
Author: Ghalid Idir Abib Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 159
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L’objectif de cette thèse consiste, d’une part, à tester une technique de linéarisation par prédistorsion numérique des signaux en bande de base sans effets mémoire afin de réduire les distorsions générées par un transistor de puissance et d’autre part, à étudier les performances des transistors en fonction de l’impédance de source et des impédances de charge basse fréquence. Les paramètres de la fonction de prédistorsion sont déterminés après inversion des conversions AM/AM et AM/PM du transistor. Le transistor utilisé est un MESFET polarisé en classe AB à 1,575 GHz. Dans la première partie de ce travail, le transistor est adapté en entrée, la mesure de la conversion AM/AM instantanée a permis d’améliorer le C/I3 de 15 dB pour un signal 2-tons (largeur de bande de 1 MHz), sans dégrader le C/I5. En présence de signaux QPSK ou 16-QAM (1 Msps), l’ACPR est amélioré de 5 dB. Dans la deuxième partie de ce travail, les contours source-pull d’ACPR et d’EVM en présence d’un signal QPSK ont mis en évidence une variation de 3 dB pour l’ACPR et 0,8 point pour l’EVM. Par la suite, l’impédance de source a été fixée sur une impédance de compromis, sans trop dégrader les pertes par désadaptation en entrée ni la linéarité. Des variations de 1 dB et de 7 points ont été observées respectivement pour la puissance de sortie et le rendement dans la zone de compression du transistor en étudiant l’influence des impédances de charge basse fréquence. La variation maximale de l’ACPR est de 15 dB et est de 6 points pour l’EVM. L’impédance de charge basse fréquence optimale est très proche d’un court-circuit. Enfin, la prédistorsion numérique a permis de réduire l’ACPR de 5 dB et l’EVM de 1 point.
Author: Philippe Bouysse Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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L'OPTIMISATION EXPERIMENTALE D'AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE A L'ETAT SOLIDE CONSTITUE L'OBJET DE CE TRAVAIL. ELLE EST BASEE SUR LE TRAITEMENT DE DONNEES ISSUES D'UN SYSTEME DE MESURE FORT SIGNAL A LA FREQUENCE FONDAMENTALE. UNE ETUDE THEORIQUE PRELIMINAIRE DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT DU TRANSISTOR A EFFET DE CHAMP PERMET D'ORIENTER LA CARACTERISATION EXPERIMENTALE VERS LA RECHERCHE D'UN COMPROMIS ENTRE LES PARAMETRES ELECTRIQUES FONDAMENTAUX: CLASSE DE FONCTIONNEMENT-PUISSANCE AJOUTEE-RENDEMENT-INTERMODULATION D'ORDRE TROIS. L'OPTIMISATION DE CES PARAMETRES EST BASEE SUR LA MISE EN EVIDENCE DE GRADIENTS DE RENDEMENT ET D'INTERMODULATION D'ORDRE TROIS EN FONCTION DES CLASSES DE POLARISATION ET DES IMPEDANCES DE CHARGE. LA PREDICTION DE L'INTERMODULATION D'ORDRE TROIS EST REALISEE PAR TRAITEMENT INFORMATIQUE DES CARACTERISTIQUES DE CONVERSION AM/AM ET AM/PM DU COMPOSANT, MESUREES A LA FREQUENCE FONDAMENTALE. LA SYNTHESE DES EVOLUTIONS DES DIFFERENTS PARAMETRES FONDAMENTAUX ABOUTIT A UNE OPTIMISATION RAPIDE D'AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE CONFORMEMENT AU CAHIER DES CHARGES DU CONCEPTEUR. NOUS EVOQUONS ENFIN LES DEVELOPPEMENTS ACTUELS ET LES APPLICATIONS FUTURES DU SYSTEME DE CARACTERISATION EXPERIMENTALE
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LE TRAVAIL PRESENTE DANS CE MEMOIRE CONCERNE LA MODELISATION NON LINEAIRE DES TRANSISTORS MICROONDES, APPLIQUEE A LA CONCEPTION D'AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE EN TECHNOLOGIE MMIC DANS LE DOMAINE DES HYPERFREQUENCES. APRES UN RAPIDE TOUR D'HORIZON DES TRANSISTORS DE PUISSANCE UTILISABLES AUX FREQUENCES MICROONDES, NOUS PRESENTONS UN EQUIPEMENT DE TEST, BASE SUR LA TECHNIQUE DE MESURES EN IMPULSIONS. CETTE METHODE DE CARACTERISATION PERMET D'OBTENIR AVEC PRECISION LES EVOLUTIONS NON LINEAIRES DES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DES TRANSISTORS MICROONDES. ENSUITE, LA MODELISATION NON LINEAIRE DES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP ET DES TRANSISTORS BIPOLAIRES A HETEROJONCTION EST TRAITEE D'UNE MANIERE DETAILLEE DANS CE MEMOIRE. NOUS TROUVERONS ENTRE AUTRES, UNE ETUDE DES NON LINEARITES DES TRANSISTORS EN FONCTION DES COMMANDES APPLIQUEES, AINSI QUE DIFFERENTES METHODES POUR LA RECHERCHE ET L'OBTENTION DES PARAMETRES D'UN MODELE, APPLIQUEES A CHAQUE TYPE DE TRANSISTOR. LES DIFFERENTES ETAPES DE CONCEPTION D'UN AMPLIFICATEUR DISTRIBUE LARGE BANDE A TBH SONT PRESENTEES. CET AMPLIFICATEUR A ETE OPTIMISE EN PUISSANCE DANS LA BANDE DE FREQUENCE 2-8 GHZ, A PARTIR DES MODELES NON LINEAIRES MIS AU POINT DANS CE MEMOIRE, ET A FOURNI UNE PUISSANCE DE SORTIE DE 27.5 DBM
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L’objectif de cette étude est d’évaluer les potentialités des transistors HEMTs AlGaN/GaN pour l’amplification de puissance aux fréquences micro-ondes, à l’aide d’un banc de mesures I(V) et paramètres [S] en régime impulsionnel, et de proposer un modèle précis de ce type de transistors facilement implémentable dans les logiciels de C.A.O. des circuits. Après un passage en revue des différentes technologies disponibles sur le marché pour l’amplification de puissance, les transistors HEMTs grand gap à base de Nitrures de Gallium apparaissent comme des candidats naturels pour ces applications (Figures de mérites de Johnson, ...). Cependant, ces transistors plus que prometteurs ne sont pas exempts de défauts. En effet, plusieurs phénomènes limitatifs inhérents à la technologie GaN, à savoir l’auto-échauffement et les effets des pièges, doivent être pris en compte lors de la conception des circuits micro-ondes. Une étude de ces différents effets limitatifs en terme de puissance est effectuée. Enfin, un modèle non-linéaire électrothermique d’un transistor HEMT 8x125 μm est présenté, et validé à l’aide de deux banc de mesures fonctionnelles (banc Load-Pull et banc LSNA).
Author: Fabien De Groote Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 202
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Ces travaux traitent de la mesure de formes d’ondes temporelles en mode continu et en impulsions, avec comme application la caractérisation des transistors de puissance aux fréquences micro-ondes. Un banc de mesure a été développé autour du Large Signal Network Analyser. Une caractéristique importante de ce banc est la méthode de couplage, qui a été améliorée à partir d’une technique localisée. Elle permet de changer les caractéristiques habituelles de couplage des signaux micro-ondes pour introduire un minimum de pertes dans le chemin de puissance micro-onde. Elle permet de mesurer jusqu’à 20 GHz. Dans un deuxième temps, l’ensemble des mesures du banc a été étendu en impulsions. Une méthode pour mesurer dans ce mode a été mise en place pour conserver toute la dynamique de notre système, pour des rapports cycliques descendant à 0.0001. Dans une dernière partie, l’intérêt de mesurer les formes d’ondes temporelles avec les performances électriques des transistors de puissance est d ́emontré, pour observer les zones limites d’utilisation des transistors en tension et en courant. Les capacités du banc de mesures à caractériser des composants GaN de puissance ont été prouvées, avec un HEMT AlGaN/GaN Tiger mesuré à 20 W en impulsions à 2 GHz.
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LA REALISATION D'UN SYSTEME DE CARACTERISATION EXPERIMENTALE DE TRANSISTORS MICROONDES DE PUISSANCE FORTEMENT DESADAPTES CONSTITUE L'OBJET DE CETTE THESE. LES IMPEDANCES DE CHARGE DES COMPOSANTS SOUS TEST SONT SYNTHETISES ELECTRONIQUEMENT ET SE REPARTISSENT NATURELLEMENT DANS LA ZONE DE FONCTIONNEMENT OPTIMAL DU COMPOSANT (PUISSANCE AJOUTEE MAXIMUM, RENDEMENT EN PUISSANCE AJOUTEE MAXIMUM,). EN OUTRE, LES RISQUES DE DETERIORATION DU TRANSISTOR SONT TRES LARGEMENT DIMINUES. LA CARACTERISATION DU DISPOSITIF NON LINEAIRE EST PRECISE, FIABLE, RAPIDE ET LA METHODOLOGIE MISE EN UVRE EST INDEPENDANTE DE LA FREQUENCE DE TRAVAIL, DES CONDITIONS DE POLARISATION, DE LA NATURE DU COMPOSANT (MESFET, HFET, HEMT, MOSFET, HBT,), DES IMPEDANCES D'ENTREE ET DE SORTIE ET DES NIVEAUX DE PUISSANCE DE SORTIE. CE SYSTEME PRESENTE EST BIEN APPROPRIE AU DEVELOPPEMENT D'UN BANC DE CARACTERISATION EXPERIMENTALE FORT SIGNAL DE TYPE MULTIHARMONIQUE
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Les transistors hyperfréquences à effet de champ ou bipolaires sont les composants essentiels des circuits de télécommunication. Leur comportement est fondamentalement non-linéaire, de nombreux phénomènes régissent leur fonctionnement. Après une déscription de différents effets les caractérisant, notamment les effets à dynamique lente de la température et des pièges, nous proposons un ensemble de moyens de mesure et d'outils de modélisation pour concevoir des représentations mathématiques des transistors intégrant différents effets non-linéaires. Nous utilisons ces modèles de transistors dans la CAO des circuits microondes. Les signaux porteurs d'informations des systèmes de télécommunications résultent de modulations complexes; nous simulons la réponse des non-linéarités des transistors intégrés dans les amplificateurs microondes soumis à ces signaux. Les différentes constantes de temps des non-linéarités rapides et lentes des transistors et les réponses basse fréquence des circuits de polarisation interagissent dynamiquement et génèrent des signaux de mélanges et d'intermodulations. Les résultats des simulations sont confirmés par différentes mesures de linéarité: C/I, ACLR. Dans le cadre de la téléphonie mobile de 3ème génération, nous analysons les compromis pour concilier la linéarité et le rendement de l'amplificateur microonde de puissance. L'impact du choix des signaux de test est analysé, certains choix favorisent ou masquent particulièrement un effet non-linéaire. Nous quantifions un à un les effets de différents phénomènes non-linéaires ou réglages du circuit sur les paramètres finaux de rendement et de linéarité de l'amplificateur. Les interactions non-linéaires dynamiques entre différents phénomènes sont ainsi mises en évidence.
Author: Denis Barataud
Author: Denis Barataud
Author: Fabrice Blache
Author: Damien Ducatteau
Author: Ghalid Idir Abib
Author: Philippe Bouysse
Author: Jean-Pierre Viaud
Author: Christophe Charbonniaud
Author: Fabien De Groote
Author: Jean-Marc Coupat
Author: Stéphane Augaudy