Il existe deux grandes familles d’amplificateurs de puissance. La première est la famille des Amplificateur à Tube à Ondes Progressives développés dès les années 1940 [11–13]. La seconde, beaucoup plus récente, est la famille des amplificateurs de puissance à état solide, à base de transistors essentiellement, dont l’essor est principalement lié à la maîtrise des filières technologiques pour les semi-conducteurs.
1.1.1 Les amplificateurs à Tube à Ondes Progressives
Bien qu’ils existent depuis plus de 70 ans, les ATOP représentent aujourd’hui en-core les amplificateurs les plus utilisés dans les systèmes de télécommunications spatiales, en raison de leur polyvalence, de leur fiabilité et de leur important rendement : près de 90% des satellites lancés depuis les années 1990 embarquent au moins un ATOP et 69% embarquent exclusivement cette technologie [14].
La vue schématique en coupe d’un ATOP est représentée sur la figure I.1.2. À une extrémité d’un tube à vide 1 (10−7 à 10−9 hPa) est disposé un canon à électrons 2
générant un faisceau d’électrons 3 , focalisé grâce à des aimants 4 jusqu’à un collecteur
5. Le signal à amplifier transite entre deux guides d’onde ou coupleurs directionnels
7 et 8 via une hélice de cuivre ou de tungstène 6 entourant le faisceau d’électrons. L’amplification est produite grâce à un important échange d’énergie entre le faisceau d’électrons et le signal dans l’hélice.
1 2 3 4 5 6 7 8
Signal à amplifier Signal amplifié
FigureI.1.2 – Vue en coupe d’un Amplificateur à Tube à Ondes Progressives
1.1.2 Les amplificateurs de puissance à état solide
Les amplificateurs de puissance à état solide sont apparus grâce aux incroyables progrès des filières technologiques pour les semi-conducteurs et constituent une alternative aux ATOP. Ils équipent néanmoins moins d’un satellite sur trois actuellement [14]. 8
I.1.1. LES FAMILLES D’AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE
Un amplificateur de puissance à état solide est généralement constitué de plusieurs éléments amplificateurs élémentaires réalisés à partir de transistors à Arséniure de Gallium (GaAs) ou à Nitrure de Gallium (GaN) et cascadés, comme le représente la figure I.1.3 [15,16]. Des éléments passifs – des répartiteurs et combinateurs de puissance – permettent de connecter les différents étages d’amplification entre eux.
Entrée Amp Répartiteur de puissance Amp Amp Répartiteur de puissance Répartiteur de puissance Amp Amp Amp Amp Combinateur de puissance Combinateur de puissance Combinateur de puissance Sortie
FigureI.1.3 – Architecture typique d’un amplificateur de puissance à état
solide
1.1.3 Comparatif
Des amplificateurs de puissance à tube aussi bien qu’à état solide ont été utilisés avec succès dans le domaine des télécommunications spatiales. Ils ont chacun leurs avan-tages et leurs inconvénients, ce qui permet de sélectionner la technologie la plus adaptée à chaque application [15, 17, 18].
1.1.3.1 Puissance de sortie et linéarité
La technologie Tube à Ondes Progressives permet de concevoir des amplificateurs hyperfréquences à bande large et à très faible facteur de bruit, de moyenne ou forte puissance de sortie [15]. La puissance de sortie atteignable par la technologie à état solide est plus limitée. Si les fréquences atteignables avec les technologies semiconducteur sont plus élevées qu’avec la technologie à tube, les bandes de fréquences de travail des SSPA sont par ailleurs plus étroites [18].
En revanche, les SSPA conservent un comportement linéaire sur une plage de puissance d’entrée plus importante que les ATOP, et bénéficient donc d’une occupation spectrale moindre.
1.1.3.2 Rendement
Le rendement (ou l’efficacité) d’un amplificateur représente le rapport entre la puissance de sortie de l’amplificateur et la puissance d’alimentation nécessaire à son fonc-tionnement.
Le rendement des ATOP est très élevé : en ne prenant en compte que la consom-mation de l’amplificateur, il est en moyenne supérieur à 60%, et dépasse pour certains 9
I.1. LES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE
modèles les 70% [14, 19]. En prenant en compte la puissance consommée par le module d’alimentation, il est encore de près de 40% [15].
Les SSPA, en revanche, souffrent d’une efficacité médiocre, inférieure à 30% en moyenne pour l’amplificateur seul. En prenant en compte la consommation du module d’alimentation, elle chute même à 10% [15].
1.1.3.3 Encombrement et dissipation de la chaleur
La technologie à état solide permet la conception d’amplificateurs présentant une haute densité d’intégration pour un poids et un encombrement limités. Cependant, la chaleur générée par les transistors est très localisée et doit être rapidement évacuée afin de limiter le risque de panne. Ainsi, les amplificateurs à état solide requièrent des radiateurs très encombrants. La chaleur dégagée par un Tube à Ondes Progressives, en revanche, est répartie sur une plus large surface et est moins dangereuse pour l’amplificateur [15].
1.1.3.4 Fiabilité
Les systèmes à Tube à Ondes Progressives ont une durée de vie physiquement limitée par la capacité du canon à électrons. Leur mise en route est par ailleurs critique car le filament qui génère les électrons dans le tube est fragile et peut être instantanément fondu en cas d’erreur de polarisation. Théoriquement, les transistors ont, eux, une durée de vie illimitée et leur mise en route ne constitue pas un risque de panne.
Pourtant, la multiplication des éléments dans un SSPA (amplificateurs et éléments passifs) – et donc la multiplication du nombre de pannes potentielles – et la grande sensibilité des composants à la chaleur en font un dispositif moins fiable une fois en orbite que les ATOP, qui peuvent fonctionner à plus de 200◦C pendant plus de 15 années en continu [15, 18].
1.1.3.5 Résumé
Le tableau I.1.1 résume le comparatif effectué ci-dessus entre les amplificateurs de puissance à Tube à Ondes Progressives et les amplificateurs de puissance à état solide. Lors de la conception d’un système de télécommunications spatiales, ces critères permettent d’évaluer la technologie la plus adaptée aux besoins de l’application. D’autres critères non-techniques, comme le coût des dispositifs ou les possibilités d’approvisionnement, entrent également en compte.
TableauI.1.1 – Récapitulatif des performances des ATOP et SSPA
Critère ATOP SSPA Puissance + -Linéarité - + Fréquences accessibles - + Bande passante + -Rendement + -Encombrement + -Fiabilité +
-Pour mesurer les performances d’un amplificateur, il est nécessaire de développer des méthodes permettant de quantifier différents critères d’évaluation. Pour l’étude de 10
I.1.2. UNE REPRÉSENTATION DES NON-LINÉARITÉS INTRODUITES PAR UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE : LES CARACTÉRISTIQUES AM/AM ET AM/PM techniques de linéarisation, il est ainsi indispensable de bénéficier d’outils mettant en évidence les non-linéarités introduites par les amplificateurs de puissance.