SCHÉMA GÉNÉRAL

Les modules d’amplification élémentaires sont conçus en deux étages. Le premier étage permet d’avoir une puissance d’entrée suffisamment faible pour pouvoir utiliser un combineur standard, tandis que le second étage permet d’avoir la puissance de sortie la plus élevée possible. Comme le premier étage ne pose pas de difficultés particulières, contrairement au se- cond étage, nous allons nous intéresser plus en détail au second étage.

Le schéma du second étage du nouveau module d’amplification est mon- tréfigure 119. L’entrée est sous l’impédance standard de 50 Ω afin de pou- voir le relier facilement au premier étage, de faciliter la caractérisation, et d’avoir plus de souplesse pour des correction à postériori, par exemple par l’ajour d’atténuateurs. Ceci nécessite une largeur de ligne faible, 304 µm, mais ceci ne pose pas de problème car la puissance d’entrée maximale, 20 W, est beaucoup plus faible que la puissance de sortie maximale, 180 W.

2×100 pF 2×1 nF 3300 µF VDD= 50 V 1Ω, 100 nF 10 µF RO3003 Alumine εεrr3,0 127 µm9,8 127 µm Sortie > 100 W, 2,5 Ω Entrée 20 W, 50 Ω VGG= - 3,1 V

FIGURE 119 – Schéma du modules élémentaires d’amplification sous 2,5 Ω.

La capacité d’entrée sert à bloquer la composante continue. C’est son seul rôle : elle ne participe pas à l’adaptation d’impédance. Ainsi, une valeur précise n’est pas nécessaire. Cette capacité est placée ici et non à proximité du transistor car l’impédance y est plus élevée, donc la capacité requise est plus faible, et l’effet des bondwires moins critique. Ce point est toutefois à relativiser, car la faible largeur de la ligne empêche de mettre plusieurs capacités en parallèle.

Un ensemble de lignes de transmission dont la largeur évolue de ma- nière précise permet d’aller jusqu’à la largeur physique des transistors, ainsi que de commencer l’adaptation d’impédance. Cette technique ne permet

164 MODULES D’AMPLIFICATION ÉLÉMENTAIRES

cependant pas de terminer l’adaptation d’impédance, car l’impédance mi- nimale que l’on peut obtenir sur ce substrat est limitée par la largeur maxi- male de la ligne, liée à la largeur physique des transistors.

La polarisation se fait avec une résistance. Cette méthode a été choisie car elle facilite la stabilisation de l’amplificateur. Les résistances CMS stan- dard ne tiendraient pas la puissance dissipée, donc une résistance CVD est utilisée. Bien que ceci ne soit pas symétrique, il est possible à cet endroit d’utiliser une seule résistance, car l’impédance élevée de la résistance, ainsi que la faible puissance en entrée, font que la dissymétrie ne posent pas de problème.

Afin de terminer l’adaptation d’impédance, un réseau LC est utilisé, utili- sant les inductances des bondwires et une capacité réalisée sur un subtrat d’alumine (εr = 9,8). Cette valeur de permittivité plus élevée permet d’at-

teindre les basses impédances requises par l’entrée.

L’adaptation de sortie semble plus simple que l’adaptation d’entrée car l’impédance de sortie des transistors GaN est beaucoup plus élevée et beau- coup moins réactive que l’impédance d’entrée. Elle déjà proche de 2,5 Ω, bien qu’il reste à compenser la capacité parasite de sortie. Toutefois, plu- sieurs facteurs limitent cette simplicité apparente. D’une part cette adap- tation doit être à faible pertes, et pouvoir supporter la puissance de sortie. Mais surtout, cette adaptation est délicate car il n’y a aucune marge sur la largeur des lignes, car la largeur d’entrée est déterminée par les transistors, la largeur de sortie est déterminée par la ligne microruban de sortie d’im- pédance 2,5 Ω.

Les transistors utilisés nécessitent une inductance élevée en sortie. Or, cette inductance élevée n’est pas pratique à réaliser avec des bondwires seuls car ils seraient trop longs. L’utilisation d’une ligne de transmission étoite, telle que montréefigure 120, n’est pas possible car cela provoque- rait l’apparition de modes d’ordre supérieur, à cause de la largeur élevée des lignes (10,7 mm) et des hautes fréquences de fonctionnement (6 GHz). Ce problème est particulièrement critique dans notre cas car nous utilisons deux transistors sur puce avec 8 plots d’entrée et de sortie chacun, au lieu d’un transistor en boitier avec une seule entrée et une seule sortie. Dans notre configuration, le transistor voit directement les modes impairs, qu’il faut donc limiter à tout prix. Nous avons d’ailleurs dû modifier le modèle original du transistor, qui n’avait qu’une seule sortie, afin de prendre en compte ces effets distribués.

23.2 LAYOUT 165

L’utilisation d’un second subtrat plus épais est possible, et était la solu- tion choisie pour la version précédente, mais ceci pose des soucis de mon- tage. De plus, le réseau d’adaptation nécessite 4 éléments : inductance - ca- pacité - inductance - capacité. Cette technique nécessiterait de monter 4 morceaux de substrat, en plus de tout le reste. Ceci n’est pas impossible mais rendrait le montage plus difficile et plus cher. Sans compter que ceci rajoute une incertitude supplémentaire sur l’inductance des bondwires, ce qui pourrait diminuer les performances du réseau d’adaptation.

Nous allons donc utiliser la solution de lafigure 121pour faire les induc- tances : plusieurs lignes étroites sont mises en parallèles, de manière à ré- duire la largeur effective, et donc de réaliser une inductance, sans provo- quer les effets distribués indésirables. Un substrat d’alumine est utilisé car cela permet la réalisation des capacités. Cette solution n’utilise donc qu’un seul substrat, ce qui facilite considérablement le montage, réduit les pro- blèmes d’incertitudes sur les bondwires, et évite leurs effets parasites.

FIGURE 121 – Courant d’une variation d’impédance sans variation de largeur d’une ligne microruban.

Le calcul de ce réseau d’adaptation a nécessité une optimisation numé- rique du circuit de l’amplificateur appelant une simulation électromagné- tique 2D planaire avec Momentum du réseau d’adaptation. Ce processus a été long et fastidieux, mais nous y sommes arrivés.

23.2 LAYOUT

Le layout des nouveaux modules d’amplification élémentaire est montré

figures 122et123. L’entrée commence par une ligne 50 Ω sur un substrat d’épaisseur plus élevée, donc plus large, ce qui permet de souder plus faci- lement la broche large du connecteur. Cette ligne est reliée par des bond- wires au substrat principal. Ce substrat principal est muni de trous d’aligne- ment pour le montage.

Les transistors doivent être brasés sur leur support afin d’assurer un bon contact thermique. Cette brasure nécessite de chauffer le support avec une vitesse minimale. Or, ceci n’est pas possible car ce support est trop gros. Les transistors sont donc brasés sur une pièce intermédiaire, plus petite, et que l’on peut donc chauffer plus facilement à la bonne vitesse. Cette pièce permet de plus d’assurer une bonne conductivité thermique des tran- sistors vers la semelle de l’amplificateur, puis vers le radiateur. Les circuits d’adaptation en alumine sont brasés sur la même pièce afin de limiter les

166 MODULES D’AMPLIFICATION ÉLÉMENTAIRES Découplage de l'alimentation Transition Klopfenstein 2,5 Ω → 50 Ω Partie 1 Transition Klopfenstein 2,5 Ω → 50 Ω Partie 2 Transistors et alumines Alimentation du drain Ligne annexe pour

le montage

FIGURE 122 – Layout de l’amplificateur, vue globale.

problèmes de tolérances mécaniques, beaucoup plus critiques sur les bond- wires proches du transistor que sur les bondwires plus éloignés. Cette pièce intermédiaire, appelée aussi « tab », est insérée dans un trou usiné en une seule étape dans le circuit et dans la semelle.

Circuit alumine d'entrée Transistors Circuit alumine de sortie Capacités de blocage DC en sortie Pièce intermédiaire et trou de montage Résistance Capacité

FIGURE 123 – Layout de l’amplificateur, agrandissement sur les transistors.

Après le circuit de l’amplificateur sous 2,5 Ω, une transition d’impédance Klopfenstein de 2,5 Ω vers 50 Ω est ajoutée pour les tests du prototype. Elle sera supprimée pour la version finale, utilisée avec le combineur de puissance. Cette adaptation d’impédance est faite en utilisant 2 substrats de hauteur différente, car cela permet d’éviter l’emploi de lignes trop étroi- tes, qui ne tiendraient pas la puissance de sortie, et d’avoir une largeur physique suffisamment élevée en sortie pour la soudure du connecteur, comme pour l’entrée.