Etude et conception d'un système de caractérisation fonctionnelle d'amplificateur de puissance en mode CW pulse PDF Download
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Book Description
Dans le contexte actuel des microondes, certaines applications, telles que les radars, utilisent des signaux pulsés. L'objectif de ces travaux de thèse a été d'adapter un banc de caractérisation fonctionnelle de type load-pull à la mesure de puissance en mode pulsé. L'outil ainsi élaboré, basé sur l'emploi d'un analyseur de réseaux vectoriel, ainsi que les méhodes d'étalonnage et de mesures ont été validées. La caractérisation au cours d'une impulsion des signaux d'un amplificateur bipolaire Silicium 5W a fait apparaître un déphasage entrée/sortie important ainsi qu'une forte variation de la puissance générée. Afin d'analyser les différentes causes de ces évolutions dans l'impulsion (comportement thermique, conditions d'adaptation en entrée et en sortie), des mesures similaires ont été menées sur un transistor de type HBT. Enfin des simulations sont venues compléter cette analyse.
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Dans le contexte actuel des microondes, certaines applications, telles que les radars, utilisent des signaux pulsés. L'objectif de ces travaux de thèse a été d'adapter un banc de caractérisation fonctionnelle de type load-pull à la mesure de puissance en mode pulsé. L'outil ainsi élaboré, basé sur l'emploi d'un analyseur de réseaux vectoriel, ainsi que les méhodes d'étalonnage et de mesures ont été validées. La caractérisation au cours d'une impulsion des signaux d'un amplificateur bipolaire Silicium 5W a fait apparaître un déphasage entrée/sortie important ainsi qu'une forte variation de la puissance générée. Afin d'analyser les différentes causes de ces évolutions dans l'impulsion (comportement thermique, conditions d'adaptation en entrée et en sortie), des mesures similaires ont été menées sur un transistor de type HBT. Enfin des simulations sont venues compléter cette analyse.
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Ce mémoire présente l'étude et la mise en oeuvre d'un banc de caractérisation fonctionnelle de type " load-pull " pour la mesure de l'ensemble des critères de puissance, rendement et linéarité en présence de tous types de signaux (CW, CW-pulsés, GMSK, QPSK, QAM, etc.). Ce banc est constitué de réflectomètres six-portes, pour la mesure des impédances et des puissances. Afin de permettre l'utilisation de signaux modulés nous avons implémenté des détecteurs de puissance rapides bas coût à base de diodes Schottky non polarisées pour la détection de puissance au niveau des jonctions six-portes. Pour l'optimisation de la linéarité en plus, nous avons ajouté des modules de contrôle des impédances basses fréquences en entrée et en sortie du composant à tester. Un transistor de puissance MESFET a été testé à la fréquence 1.575 GHz en présence d'un signal modulé QPSK de largeur 1.25 MHz et d'un signal bi-porteuses séparées de 800 kHz pour une polarisation de type A et AB. Les contours " load-pull " montrent que les conditions optimales de puissance, de rendement et de linéarité sont différentes d'où la nécessité de trouver des compromis entre les différents critères. D'autre part, ces résultats montrent qu'il existe une forte corrélation entre l'ACPR et le produit d'intermodulation d'ordre 3. L'effet des impédances de source BF sur la linéarité n'est notable qu'en classe AB dans la zone de saturation. Finalement, l'effet des impédances de charge BF apparaît quelle que soit la classe de fonctionnement avec évidemment un effet très prononcé pour la classe AB pour laquelle on a observé des variations de 5 à 20 dB pour l'ACPR sur toute la dynamique de mesure
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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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Dans les nouvelles générations de systèmes de télécommunication (WCDMA, CDMA200, EDGE...) où les formats de modulation à meilleure efficacité spectrale sont utilisés, la linéarité de l’amplificateur de puissance est un point critique. Par ailleurs l’amplificateur de puissance est l’un des composants dissipant le plus d’énergie dans une chaîne de communication. Pour cela, il doit à la fois être linéaire et avoir un bon rendement en puissance ajoutée. Les amplificateurs de puissance sont très souvent utilisés avec un recul en puissance (back-off) dans le but d’obtenir un fonctionnement linéaire, la conséquence étant la perte de rendement. Une solution possible est de le faire fonctionner dans sa zone de saturation où il est fortement non linéaire et lui associer un circuit linéariseur externe. Les principaux objectifs de cette thèse sont : a) L’étude par simulation utilisant le simulateur ADS des architectures LINC, ET et EER dans le but de faire ressortir les avantages et les inconvénients dans l’amélioration conjointe de la linéarité et du rendement des amplificateurs de puissance. b) Le développement d’un banc de mesure calibré pour la caractérisation des amplificateurs de puissance excité par des signaux modulés est proposé. Ce banc est utilisé pour extraire un modèle comportemental d’amplificateur de puissance excité par des signaux modulés. c) L’exploitation du banc pour mettre en oeuvre une méthode de linéarisation d’amplificateur par prédistorsion numérique en bande de base utilisant le banc de caractérisation est proposée.
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La conception maîtrisée d'amplificateurs de puissance à l'état solide nécessite des moyens de caractérisation performants permettant d'obtenir par l'expérimentation les conditions optimales de fonctionnement en puissance des transistors - ces résultats étant directement utilisables par le concepteur. Par ailleurs, ces moyens permettent également de valider les modèles de composants élaborés pour la C.A.O des circuits non-linéaires. La caractérisation en puissance des transistors est réalisée au moyen de la technique de la charge active (« load-pull » actif) dont une nouvelle configuration est proposée. Cette technique permet la synthèse électronique d'une impédance de charge quelconque pour laquelle les performances en puissance du transistor - pour une fréquence et un point de polarisation donnés - sont mesurées. L'application maieure visée par ce banc expérimental est donc la caractérisation fort signal de transistors, en vue de concevoir des amplificateurs de puissance destinés aux systèmes de télécommunication en ondes millimétriques en particulier aux fréquences 28/30 ou 41 GHz.
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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.
Author: Jean Gorisse Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 248
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Avec l'apparition d'applications grand-public, comme le Wireless-HD, les fréquences millimétriques nécessitent l'utilisation de technologies CMOS faible coût. Cependant, avant d'être commercialisés, les transmetteurs mmW doivent être suffisamment résistants notamment à la désadaptation d'impédance entre l'amplificateur de puissance (AP) et l'antenne qui peut résulter d'un obstacle dans le champ proche de l'antenne. Une telle désadaptation d'impédance se traduit par l'apparition d'ondes stationnaires qui peuvent engendrer des dommages irrémédiables sur l'AP. Cette thèse propose une architecture innovante de régulation qui vise à protéger l'AP de telles dégradations tout en optimisant ses performances. La désadaptation d'impédance peut être évaluée en intégrant plusieurs détecteurs de puissance entre l'AP et l'antenne. Une boucle de régulation numérique peut ensuite établir une stratégie d'optimisation des performances de l'AP. Cette thèse s'intéresse particulièrement aux circuits de détection de puissance qui captent la désadaptation d'impédance de l'antenne. Réalisé en technologie CMOS 65nm de STMicroelectronics, le détecteur de puissance présente 25dB de dynamique à 60GHz et est capable de détecter jusqu'à 3 :1 de TOS. Ces détecteurs de puissance ont ensuite été intégrés dans un second circuit avec un AP et des convertisseurs (CAN & CNA). Une boucle de régulation agissant sur le gain de l'AP permet ainsi de garder une puissance de sortie constante quelle que soit l'impédance d'antenne tandis qu'une seconde boucle protège l'AP de la destruction. Cette thèse couvre également deux projets développés en parallèle de l'architecture de régulation de TOS. D'abord est proposée une nouvelle architecture de convertisseur analogique numérique logarithmique, basée sur l'architecture d'amplificateur logarithmique à compression progressive. Ensuite, une co-simulation sous ADS d'un AP RF/mmW avec sa boucle de régulation numérique permet de simuler l'AP à TOS régulé.
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CE TRAVAIL PORTE SUR LA CONCEPTION, LA REALISATION ET LA CARACTERISATION D'AMPLIFICATEURS HYPERFREQUENCES DE PUISSANCE EN TECHNOLOGIE BIPOLAIRE A HETEROJONCTION GAALAS/GAAS (TBH). LES TRAVAUX DEBUTENT PAR LA COMPARAISON DU TBH HAAS AVEC LE TRANSISTOR BIPOLAIRE SILICIUM ET LES TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP GAAS, POUR DES APPLICATIONS DE PUISSANCE. LES PROBLEMES DE STABILISATION EN TEMPERATURE, DE CLAQUAGE PAR AVALANCHE ET DE L'ADAPTATION DIFFICILE DES DISPOSITIFS DE PUISSANCE, ONT ETE ECLAIRCIS ET OPTIMISES EN TENANT COMPTE DES PROPRIETES SPECIFIQUES DU TBH ET DES POSSIBILITES TECHNOLOGIQUES DU LABORATOIRE DE BAGNEUX. PAR LA SUITE, DES MODELES ELECTRIQUES NONLINEAIRE ET THERMOELECTRIQUE DU TBH ONT ETE DEVELOPPES EN UTILISANT LES METHODES CLASSIQUES DE CARACTERISATIONS STATIQUES ET DYNAMIQUES PETIT SIGNAL, AINSI QUE LES BANCS DE MESURE FORT SIGNAL DU TYPE LOAD-PULL. PAR AILLEURS, L'OBTENTION D'UNE PUISSANCE ELEVEE ET D'UN HAUT RENDEMENT DEPEND NON SEULEMENT DU COMPOSANT UTILISE, MAIS AUSSI DU CHOIX D'UNE STRUCTURE D'AMPLIFICATEUR APPROPRIEE. UNE ETUDE COMPARATIVE DES DIFFERENTES CLASSES D'AMPLIFICATEURS D'UNE PART ET L'ANALYSE DES DIFFERENTES POSSIBILITES D'ADAPTATION DES DISPOSITIFS DE PUISSANCE D'AUTRE PART ONT PERMIS DE DEGAGER DES ARCHITECTURES MIEUX ADAPTEES AU CAS DES TBH. LA MODELISATION ET LE TRAVAIL D'OPTIMISATION COMPLET DU COMPOSANT SE CONCRETISENT PAR LA CONCEPTION ET LA REALISATION DE DEUX AMPLIFICATEURS POUR DES APPLICATIONS EN TELECOMMUNICATIONS: UN AMPLIFICATEUR A HAUT RENDEMENT POUR LES RADIOCOMMUNICATIONS MOBILES EN BANDE L, ET UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE MONOLITHIQUE
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Ce travail concerne principalement la caractérisation et la modélisation des dynamiques non linéaires pour systèmes de télécommunications et plus particulièrement les PLLs et les amplificateurs de puissance. Le premier objectif est de traiter les aspects de modélisation descendante de la PLL dans le but de propager les spécifications de conception depuis le haut de la hiérarchie jusqu’au bas de l’échelle. Le deuxième objectif est de développer un modèle d’amplificateur dédié à intégrer efficacement et simultanément les deux types de mémoire HF et BF. Nous avons développé deux modèles basés sur le formalisme de séries de Volterra modulées : explicite qui prend en compte un effet de propagation de la porteuse et implicite qui comporte une vraie boucle de rétroaction, plus proche du mécanisme réel. Nous avons développé également une nouvelle méthode d’extraction des effets de mémoire BF qui nécessite uniquement des simulations d’équilibrage harmonique donc plus rapide et précise.
Author: Caroline Arnaud
Author: Caroline Arnaud
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Author: Souheil Bensmida
Author: Denis Barataud
Author: Grégoire Nanfack Nkondem
Author: Ismail Yattoun
Author: Jérôme Lajoinie
Author: Jean Gorisse
Author: RAPHAEL.. MEZUI-MINTSA
Author: Zhour Madini-Zouine