Conception et réalisation d’un amplificateur rf à haut rendement énergétique

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.

GÉNÉRALITÉS SUR L’AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE ET LES TECHNIQUES D’ADAPTATION D’IMPÉDANCE 

Amplificateur de puissance 

Cette section présente le rôle de l’amplificateur de puissance ainsi que ses caractéristiques en termes de courant continu. Différentes classes de fonctionnement de l’amplificateur sont énumérées ainsi que leurs caractéristiques en termes de gain, de puissance délivrée, d’efficacité et de linéarité.

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.

LES TECHNIQUES D’AMPLIFICATION AVANCÉES 

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. Son principe de fonctionnement est présenté à la Figure 2.1. 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.

Pré-distorsion
Cette technique suscite beaucoup d’intérêt lorsqu’on parle de linéarité. Elle permet de générer un signal qui pourra compenser l’effet des distorsions générées par l’amplificateur. On appelle l’élément responsable de cette régulation le linéariseur. Cette technique est régulièrement utilisée dans les amplificateurs de grande puissance. Elle implique l’insertion d’un ou plusieurs dispositifs non linéaires entre le signal d’entrée et l’amplificateur principal.

Techniques d’amélioration de l’efficacité énergétique 

Technique LINC 

La technique LINC (LInear amplification using Non-linear Components) permet de convertir un signal à enveloppe variable en deux signaux à enveloppe constante (Cripps, 2006). Elle permet de transformer la modulation de phase et d’amplitude en une somme de deux modulations de phase seulement. Comme le montre la figure 2.4, un élément essentiel appelé séparateur de signaux est utilisé pour décomposer le signal d’entrée, il génère alors deux signaux à la sortie modulés uniquement en phase. Deux amplificateurs non linéaires à haut rendement et identiques sont utilisés pour amplifier les deux signaux. Étant des signaux à enveloppe constante, ces derniers peuvent être amplifiés à l’aide de deux amplificateurs efficaces et non linéaires. Une fois amplifiés, ces deux signaux sont combinés ensemble pour restituer le signal à l’origine mais cette fois-ci amplifié. Les combineurs se classifient en deux types: adaptés ou Chireix. Les combineurs adaptés, tels que le Wilkinson, sont peu efficace. C’est pour cette raison que l’utilisation d’un combineur Chireix est souhaitée et courante en pratique.

Technique EER (Enveloppe Elimination and Restauration) 

Cette technique a connu le jour en 1952 grâce à son inventeur Kahn (Cripps, 2006). L’idée à la base est de contrôler la polarisation de l’amplificateur de puissance en fonction de la dynamique du signal à l’entrée. La figure 2.5 montre le principe de cette technique : le signal entrant subit une division à l’aide d’un diviseur de puissance ; une première partie du signal passe par un détecteur d’enveloppe qui permet de récupérer l’information sur la variation de l’enveloppe. L’autre partie passe par un limiteur qui permet de rendre l’enveloppe du signal constante. Ce dernier signal à enveloppe constante est amplifié par un amplificateur efficace. La polarisation de l’amplificateur est contrôlée en fonction de la variation du signal d’entrée. L’enveloppe est restaurée par cette polarisation dynamique. Cependant, cette technique ne présente pas de contrôle de rétroaction.

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 <%2LS