Amplificateur de puissance

Dans le domaine des radiofréquences, l’amplificateur de puissance représente l’un des éléments les plus importants pour le design de la chaine de transmission. Il est situé à la dernière section de cette chaine. Pour différentes applications, tel qu’un téléphone cellulaire, une station de base ou une station TV, l’amplificateur est fabriqué en tenant compte de plusieurs paramètres essentiels tels que l’efficacité et la linéarité. Avec l’augmentation connue ces derniers temps dans le marché de communications sans fil, le téléphone cellulaire est devenu un moyen de communication populaire. Le succès de cette technologie dans les années précédentes a favorisé le développement de nouveaux services tel que l’accès à l’internet qui demande un débit de données assez important. Or, les systèmes de communications de deuxième génération installés dans le milieu de l’année 1990 ont été conçus pour les données à faibles débits. Ces systèmes utilisent des modulations à enveloppe constante telles que la modulation de la phase ou de la fréquence. La troisième génération utilise la modulation de l’amplitude et de la phase pour augmenter le débit de communication pour une même largeur de bande. Parmi ces systèmes, citons le fameux système UMTS (Universal Mobile Télécommunications System), le CDMA IS-95 (Code Division Multiple Access) et l’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). L’avantage présenté par cette génération est qu’avec une même largeur de bande, on peut avoir un débit beaucoup plus important que celui offert par la modulation à enveloppe constante. En conséquence, on obtient une efficacité spectrale différente et largement supérieure. Avec les techniques à enveloppe constante, l’amplificateur de puissance est utilisé à son point de saturation où l’efficacité est assez élevée, tandis qu’avec celles à enveloppe variable, l’amplificateur de puissance est opéré dans la région linéaire en reculant par rapport au point de saturation pour éviter de déformer le signal. Ce recul a un impact direct sur l’efficacité et la puissance moyenne transmise. C’est dans ce contexte que s’inscrit notre travail qui vise à améliorer les performances dans le système LINC (Linear amplification using non linear components), et ce, en maximisant l’efficacité de combinaison pour le combineur Chireix.

Amplificateur de puissance

Bilan de puissance 

L’amplificateur de puissance est un composant actif essentiel pour amplifier un signal quittant la bande de base et l’amener à un niveau de puissance requis pour pourvoir l’émettre. L’amplificateur est alimenté par une source de courant continu qui lui permet d’amplifier tout signal se trouvant à son entrée. Les puissances d’entrée de l’amplificateur sont la puissance d’alimentation fournie par la source de courant continu généralement notée par Pdc et la puissance du signal d’entrée notée Pin. Les puissances de sortie sont respectivement la puissance du signal RF sortant notée Pout et la puissance dissipée par effet Joule notée Pdiss. Il existe une relation qui permet de relier ces puissances, elle est formulée comme suit :

Pin + Pdc = Pout + Pdiss (1.1)

Critères d’évaluation des amplificateurs de puissance 

L’amplificateur de puissance est caractérisé par des paramètres qui décrivent son fonctionnement. Ces paramètres servent à évaluer ce dernier et sont présentés ci dessous. Les principaux paramètres pour la caractérisation d’un PA sont :
– la puissance de sortie Pout,
– l’efficacité énergétique,
– le gain transducique GT,
– le point de compression à 1dB,
– le produit d’intermodulation d’ordre 3 IP3.

Puissance de sortie 

La puissance de sortie d’un PA détermine en partie la portée de communication du système sans fil. Certaines relations entre les autres puissances du circuit et celle de sortie permettent de déterminer les caractéristiques de l’amplificateur comme son efficacité ou bien son gain.

Point de compression à 1 dB 

Les amplificateurs de puissance sont des dispositifs non-linéaires donc ils sont sensibles au phénomène de saturation de la puissance en sortie. Ce critère permet de caractériser la limite du fonctionnement linéaire de l’amplificateur de puissance. Ce point particulier est défini lorsque l’écart entre la puissance à la sortie et la puissance linéaire est de 1dB. Au-delà de ce point, la puissance de sortie n’est plus proportionnelle à celle de l’entrée.

Le point d’interception d’ordre 3

L’amplificateur génère des distorsions dans le signal de sortie, à cause de ses non-linéarités. Ces dernières conduisent à l’apparition de fréquences parasites, résultantes de produits d’intermodulation, lorsqu’un signal multifréquences est introduit à l’entrée. Les harmoniques résultantes du produit d’intermodulation d’ordre 3 sont les plus proches de la fréquence fondamentale. Le point d’intersection de l’extrapolation linéaire du signal utile et de celle de l’intermodulation d’ordre 3 est appelé IP3. Ce point peut être référencé en sortie (OIP3) ou en entrée (IIP3). Plus OIP3 est élevé, plus les raies provenant des produits d’intermodulation sont faibles et meilleure est la linéarité.

LES TECHNIQUES D’AMPLIFICATION AVANCÉES 

Les techniques d’amélioration de la linéarité et l’efficacité énergétique sont nombreuses. Ce chapitre présente les différentes techniques d’amélioration de l’efficacité énergétique ainsi que celles utilisées pour les mêmes fins pour la linéarité. Ces techniques permettent d’améliorer la linéarité ou/et l’efficacité énergétique.

Techniques de linéarisation

Feedback

La technique feedback se base sur la méthode de rétroaction dans le dessein d’améliorer le niveau de linéarité du système.Un premier échantillon est extrait du signal entrant grâce à un coupleur. Après l’amplification, un deuxième coupleur permet de prendre un second échantillon du signal à la sortie. Ces deux signaux sont comparés par la suite et des ajustements sont calculés en fonction des deux échantillons récoltés. Les ajustements affectent alors le signal d’entrée. Ce traitement permet d’influer sur les distorsions présentes dans le signal à la sortie. En effet, un amplificateur et un déphaseur variables permettent d’agir sur l’entrée afin de réduire les distorsions apportées par l’amplificateur de puissance. L’inconvénient de cette technique est qu’elle réduit considérablement le gain (Cripps, 2006).

Feedforward

Le signal d’entrée subit une division à l’aide d’un premier coupleur : une partie passe à l’amplificateur principal qui est non linéaire et contient donc des distorsions, l’autre partie du signal est utilisée pour rétablir le signal (Cripps, 2006). Le signal sortant de l’amplificateur principal subit un couplage : une partie est combinée avec le signal d’entrée pour éliminer les composantes utiles ou principales. Cette dernière est amplifiée grâce à un amplificateur très linéaire généralement polarisé en classe A. La combinaison des deux derniers signaux grâce à un dernier combineur génère un signal utile amplifié sans l’existence de distorsion. Cette technique requiert beaucoup de précision en termes de gain et de délai entre les deux branches.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 GÉNÉRALITÉS SUR L’AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE ET LES TECHNIQUES D’ADAPTATION D’IMPÉDANCE
1.1 Introduction
1.2 Amplificateur de puissance
1.1.1 Bilan de puissance
1.1.2 Critères d’évaluation des amplificateurs de puissance
1.1.2.1 Puissance de sortie
1.1.2.2 Efficacité énergétique
1.1.2.3 Gain
1.1.2.4 Point de compression à 1 dB
1.1.2.5 Le point d’interception d’ordre 3
1.2 Adaptation d’impédance
1.2.1 Réseau à deux éléments réactifs
1.2.2 Réseau à trois éléments réactifs
1.2.3 Réseau à quatre éléments réactifs
1.2.4 Le réseau d’adaptation d’impédance à base de lignes quart d’onde
1.2.5 Transformateur binomial
1.3 Conclusion
CHAPITRE 2 LES TECHNIQUES D’AMPLIFICATION AVANCÉES
2.1 Introduction
2.2 Techniques de linéarisation
2.2.1 Feedback
2.2.2 Feedforward
2.2.3 Pré-distorsion
2.3 Techniques d’amélioration de l’efficacité énergétique
2.3.1 Technique LINC
2.3.2 Technique EER (Enveloppe Elimination and Restauration)
2.3.3 Technique Doherty
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 ANALYSE DU COMBINEUR CHIREIX
3.1 Introduction
3.2 État de l’art
3.2.1 Mise en contexte
3.2.2 Présentation
3.2.3 Principe
3.2.4 L’efficacité moyenne
3.3 Analyse du combineur Chireix
3.3.1 Le stub dans le combineur Chireix
3.3.2 Analyse du combineur Chireix sans stub
3.3.3 Analyse du combineur Chireix avec stubs
3.3.4 Efficacité du combineur Chireix
3.3.5 Conception du combineur adapté
3.3.6 Validation des résultats
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 CONCEPTION ET FABRICATION D’UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE DOHERTY
4.1 Introduction
4.2 L’architecture Doherty
4.2.1 Présentation
4.2.2 Modélisation
4.2.3 Analyse du circuit
4.3 Fonctionnement
4.3.1 Faible niveau de puissance d’entrée
4.3.2 Niveau moyen de puissance d’entrée
4.3.3 Niveau élevé de puissance d’entrée
4.4 Conception
4.5 Réalisation et test
4.6 Conclusion
CONCLUSION

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