Une solution, destinée initialement à des applications audio dans [Yundt 86], dont l’idée a été transposée dans [Ertl 97], propose de combiner les avantages d’un étage linéaire, par définition large bande et à faible rendement, fournissant les variations rapides de courant, avec les potentialités en rendement d’une topologie commutée, travaillant dans la bande DC-BF. L’association des deux étages permettant de tirer parti des avantages de chacun, offrant un modulateur large bande et à haut rendement. Ce principe trouve immédiatement un intérêt
dans la technique d’ET, et fait encore l’objet de nombreuses publications. Différentes possibilités de combinaison entre les deux parties ont été étudiées en sortie, sur la charge, conduisant à trois différentes classes de topologie [Wang 14].
La combinaison série (Serial Hybrid), revient à appliquer un contrôle dynamique de la puissance apportée à l’étage linéaire au moyen de l’étage de commutation, améliorant ainsi son rendement. Le modulateur linéaire étant directement connecté à la charge, la combinaison série se présente comme large bande et linéaire par nature.
Plus utilisée que la combinaison série, la combinaison parallèle (Parallel hybrid) des deux étages sur la charge est représentée à la figure II-16. Une contre-réaction est utilisée, de telle sorte que le courant fourni (ou absorbé) par l’étage linéaire est minimisé. Celui-ci fournit les variations rapides de l’enveloppe et contrôle le fonctionnement de l’étage en commutation, qui fournit alors la majorité de la puissance à la charge (la valeur moyenne de l’enveloppe, contenant la majorité de la puissance du signal [Ertl 97]). Le rendement global de la combinaison parallèle n’est impacté que dans une faible mesure par le rendement de l’étage linéaire, du fait que ce dernier ne travaille que sur une faible portion de l’enveloppe.
Figure II-16 : représentation de la topologie HSA parallèle dans laquelle les étages linéaire et commuté sont connectés en parallèle sur la charge.
Bien que pertinente dans son principe, la principale cause de baisse de rendement dans la topologie HSA parallèle provient de la mauvaise utilisation du courant délivré par le modulateur : le courant fourni par la partie commutée (switch current, Isw) est en général supérieur au courant appelé par l’amplificateur (load curent, Iload). Cet excès de courant (Isink) est alors dissipé, et ne sert pas à l’amplification, comme représentée à la figure II-17.
[Kim 11] démontre que ce problème est contourné par l’utilisation d’une polarisation plus haute de l’amplificateur (classe AB au lieu de B). Le courant moyen alors appelé est supérieur, le courant Isink diminue et le rendement global augmente. Les techniques usuelles de mise en forme de l’enveloppe, permettant la réduction de son PAPR permettent ici aussi une meilleure utilisation du courant fourni. L’idée générale étant d’utiliser un minimum l’amplificateur linéaire, et donc de profiter du rendement important de l’étage en commutation.
Des évolutions de l’architecture HSA parallèle ont été apportées. Citons parmi celles-ci [Kim 11]. Elle concerne l’utilisation de plusieurs niveaux de commutation grâce à l’utilisation d’un convertisseur DC-DC 3 niveaux pour la partie commutée, augmentant ainsi le rendement par rapport au cas classique avec 1 niveau, pour lequel l’amplificateur linéaire est contraint à être davantage sollicité.
Figure II-18 : utilisation d’un convertisseur DC-DC 3 niveaux pour l’étage commuté, qui permet un suivi plus précis de la valeur moyenne du courant Iload, et donc un courant Ilinear plus faible [Kim 11].
Enfin, la troisième et dernière topologie de modulateur HSA, appelée combined hybrid utilise les avantages de chacune des deux combinaisons précédentes. Dans cette topologie, les étages linéaire et commuté sont associés en parallèle sur la sortie. Se basant sur le constat que dans la topologie parallèle, l’étage linéaire du modulateur de drain est en général sous utilisé (il ne travaille alors que très rarement à son point de puissance maximale, impactant le rendement global), l’idée est alors d’améliorer le rendement de l’étage linéaire lorsque le
Figure II-17 : représentation des courants fournis par les différentes parties dans l’architecture HSA. Le courant Isink est alors la principale cause de pertes énergétique du
modulateur de polarisation est utilisé en back-off, par une gestion dynamique de sa polarisation. En addition, un second étage commuté est donc associé en série avec le modulateur linéaire afin de réduire les pertes de celui-ci.
Cette topologie de modulateur HSA combined hybrid est à la base d’une structure à l’état de l’art des modulateurs de polarisation, représentée à la figure II-19. Elle a été proposée la première fois par [Wang 12] en 2012. Cette structure est vue comme une variante de la topologie précédente, mais avec un contrôle continu de la polarisation de l’étage linéaire. Ceci conduit à une topologie imbriquée d’ET. Ce contrôle dynamique de la polarisation peut être effectué de façon plus efficace que sur l’amplificateur RF directement, puisque l’amplificateur linéaire ne doit fournir qu’une faible puissance.
Figure II-19 : topologie imbriquée de type HSA, pour laquelle la technique d’ET est également appliquée au modulateur linéaire. Le réseau de sources de courant fourni la puissance, chacune des
sources entre en conduction selon l’amplitude de l’enveloppe [Wang 12].
Il a également été proposé en 2013 une extension dans [Wang 13] de cette structure, appelée Multi-nested structure. Si l’on considère un scénario dans lequel la puissance moyenne de l’émetteur varie temporellement (de façon lente, au rythme du trafic), en disposant d’une voie de mesure de la puissance rms du signal RF modulé, on peut alors varier l’alimentation du modulateur de polarisation de l’étage linéaire, au rythme des variations de la puissance moyenne émise.
Plus généralement, dans cette structure, l’idée est d’utiliser la technique d’ET comme noyau, afin d’augmenter la zone à haut rendement lors d’un recul de puissance. L’imbrication des structures permet la conception de modulateur de polarisation fonctionnant efficacement, puisqu’il est plus aisé de concevoir un modulateur travaillant lentement sur une charge quasi-fixe.
Figure II-20 : topologie multinested proposée par [Wang 13], dans le cas d’une structure à deux niveaux. L’alimentation du modulateur (1st nested) ainsi que le déclenchement des sources de courant
sont alors variés au rythme de la puissance moyenne du signal