De l’apparition de la 5G résulte une demande croissante en bande passante, en flexibilité
et en linéarité des dispositifs microondes analogiques, reportant ainsi de fortes contraintes
sur l’amplificateur d’émission RF. De ce fait, ce dispositif de puissance est contraint de
fonctionner avec un faible rendement moyen, impliquant une importante consommation de
la ressource électrique fournie par la plateforme mais également d’importantes contraintes
thermiques au sein du satellite. Bien qu’une grande partie des satellites actuels utilisent la
technologie d’amplificateurs à tubes microondes (TWTA) pour des applications en hautes
fréquences et à de forts niveaux de puissance, les amplificateurs à état solide (SSPA)
pré-sentent un excellent compromis pour des applications à plus faible puissance et sur des
bandes de fréquences plus basses. Dans ce contexte, une comparaison de différentes
tech-nologies de semi-conducteurs a été dressée, mettant clairement en avant le Nitrure de
Gallium (GaN) pour l’application visée. Cette technologie dite à large bande interdite
présente des propriétés intrinsèques uniques en termes de densité de puissance, de
fré-quences d’utilisation et de performances en linéarité, la rendant à l’heure actuelle l’une
des plus attractive pour l’amplification de forte puissance à l’état solide. Enfin,
l’amplifi-cateur de puissance RF, ainsi que les notions relatives à son fonctionnement statique et
dynamique (définition des puissances, rendement énergétique, linéarité, effets de mémoire,
critères de linéarité) ont été présentés.
Le second chapitre s’est focalisé sur les architectures d’amplificateur à haut
rende-ment. La complexification des signaux de télécommunication (augmentation de
l’effica-cité spectrale et du PAPR) ainsi que les performances en linéarité imposées par les
dif-férents organismes régulateurs impliquent de nombreuses contraintes sur l’amplificateur
afin de satisfaire un rendement raisonnable. L’utilisation d’architectures d’amplificateur
complexes s’est alors imposée comme la meilleure solution pour répondre à ces
problé-matiques d’efficacité énergétique. Un panorama général des architectures basées sur le
principe de modulation de charge est dressé dans ce chapitre. L’analyse proposée sépare
ces architectures en deux catégories (combinaison de puissance quasi-isolée et non-isolée)
et met en avant les avantages et inconvénients de chaque technique. Étant au coeur de ces
travaux, l’architecture Doherty est traitée de façon plus détaillée dans une analyse
théo-rique, mettant clairement en avant ses potentialités en termes d’efficacité énergétique en
présence de signaux modulés. La fin de ce chapitre est consacrée à l’étude des limitations
de l’architecture Doherty. Plus spécifiquement, l’extension de cette analyse théorique avec
des transistors à effet de champ non-idéaux montre une forte restriction en bande
pas-sante de l’amplificateur, notamment due à la présence d’éléments réactifs de sortie. De
plus, l’étude conventionnelle du fonctionnement Doherty considère deux transistors
pola-risés en classe B. Cependant, cette hypothèse ne s’avère plus valable dans le cas réel, où
une forte dissymétrie de polarisation existe entre les deux cellules actives, ce qui implique
une forte dégradation des performances énergétiques du dispositif. Finalement, ce chapitre
conclut sur les solutions possibles permettant de bénéficier au maximum des performances
offertes par l’amplificateur Doherty, avec notamment un fort intérêt pour le « Doherty
nu-mérique » autorisant un contrôle en amplitude et en phase indépendant sur chaque entrée.
Le troisième chapitre propose, suite aux conclusions établies dans l’étude théorique,
une méthodologie de conception d’amplificateur Doherty large bande. La limitation en
bande passante observée dans le chapitre précédent a montré que l’inversion d’impédance
ainsi que la prise en compte des éléments réactifs de sortie sont des points cruciaux dans
la conception d’un dispositif large bande. Fort de ce constat, la méthodologie proposée
repose sur l’utilisation d’un inverseur d’impédance équivalent réalisant une « absorption »
des éléments réactifs intrinsèques des transistors. Cet inverseur est par la suite utilisé dans
une architecture de type « post-matching » permettant une optimisation des performances
sur une large bande passante. La méthodologie développée au cours de ces travaux est
par la suite appliquée à la conception d’un amplificateur Doherty d’une puissance de 20W
fonctionnant en bande C (3,6GHz-4,2GHz) [96],[97]. Enfin, les simulations réalisées en
quasi-statique sont présentées. Le dispositif présente de bonnes performances en termes
de rendement en puissance ajoutée (PAE ≈45% à 6dB de recul en puissance et ≈55% à
pleine puissance) mais également en linéarité avec une faible variation des profils
d’AM-PM sur toute la bande considérée.
Le quatrième et dernier chapitre a présenté une validation expérimentale de
l’am-plificateur réalisé. Après une première caractérisation en fonctionnement petit signal, le
dispositif a été testé en fonctionnement non-linéaire sur un banc de mesure double entrée
développé à XLIM et utilisant une procédure d’étalonnage en phase automatique. Dans
un premier temps, le dispositif a été caractérisé dans sa configuration conventionnelle
avec une distribution statique d’amplitude et de phase. L’étude expérimentale a montré
l’influence de la distribution de phase sur les conversions d’amplitude et de phase,
pou-vant fortement affecter l’effet de modulation de charge. Cette dégradation a par la suite
été constatée lors d’un fonctionnement dynamique de l’amplificateur, démontrant une
im-portante dégradation de sa linéarité. Dans un deuxième temps, en vue de converger vers
les potentialités d’une architecture numérique, les mesures en double entrée ont permis
l’extraction de distributions statiques ou dynamiques d’amplitude et de phase. Ces
me-sures ont montré la grande flexibilité du « Doherty numérique » en termes de compromis
rendement-linéarité sur une large bande.
La fin du quatrième chapitre est consacrée à des perspectives avec notamment une
application du Doherty numérique dans le contexte d’antennes actives. D’un point de vue
système, les antennes 5G seront constituées d’une matrice d’éléments rayonnants, dont
le diagramme de rayonnement est reconfigurable en fonction de l’excitation apportée à
chaque antenne. Ces réseaux d’antennes seront directement connectés à une multitude
d’amplificateurs de puissance. Cependant, la suppression des isolateurs entre ces deux
dispositifs ainsi que les couplages ayant lieu entre les multiples éléments induira des
varia-tions de l’impédance d’entrée de chaque antenne. En d’autres termes, l’amplificateur sera
parfois contraint de fonctionner sur une charge désadaptée, dégradant alors fortement ses
performances en linéarité et en rendement. Dans ce contexte, une analyse théorique sur le
fonctionnement du Doherty en condition de désadaptation est proposée. Cette approche
vise à déterminer les lois de commande optimales à appliquer en entrée du dispositif en
fonction de la charge présentée à son accès de sortie et pourrait apporter des solutions à
la conception d’antennes actives à haut rendement énergétique.
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Dans le document
Architecture d'amplificateur de puissance linéaire et à haut rendement en technologie GaN de type Doherty numérique
(Page 196-200)