LES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE RF

LES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE RF

Amplificateur de puissance

Introduction

L’amplificateur de puissance est un élément actif utilisé pour amplifier le signal issu de la partie bande de base et l’amener à un niveau de puissance nécessaire pour l’émission. Tel qu’illustré dans la figure 1.1, il est situé au bout de la chaîne RF juste avant le duplexeur et l’antenne et est constitué principalement de transistors. Ces derniers sont alimentés par une source de puissance DC qui leur permet de fonctionner et de trouver l’énergie nécessaire pour réaliser l’amplification. Les puissances d’entrée de l’amplificateur sont la puissance d’alimentation fournie par la source DC ; PDC et la puissance du signal d’entrée ; Pin. Les puissances de sortie sont respectivement la puissance de sortie du signal RF, Pout et la puissance dissipée par effet joule, Pdiss.
Le gain en puissance, G, est défini comme le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d’entrée.

Efficacité énergétique

L’efficacité d’un amplificateur de puissance constitue le facteur de mérite principal et indique la proportion avec laquelle la puissance délivrée par la source de puissance DC (Batterie d’un terminal mobile, source d’énergie d’une station de base..) a été transformée en puissance RF autour de la fréquence considérée. On distingue deux principales définitions de cette efficacité. L’efficacité du drain qui est définie comme étant le rapport entre la puissance de la fondamentale Pout et la puissance DC consommée notée PDC.

Linéarité de l’amplificateur de puissance :

Conversion AM-AM et AM-PM

En plus d’être l’élément déterminant de la chaîne de transmission pour la consommation d’énergie, l’amplificateur de puissance est aussi le composant clef en ce qui concerne la linéarité. Un amplificateur parfaitement linéaire produit une tension de sortie Vs, proportionnelle à la tension d’entrée, Ve .
où a1 désigne le gain de l’amplificateur et a0 correspond à la sortie DC. Pour de faibles niveaux du signal d’entrée, l’amplificateur se comporte généralement de façon linéaire. Cependant, pour des forts niveaux du signal, l’amplificateur cause plusieurs distorsions et le signal de sortie n’est pas proportionnel au signal d’entrée. Ces distorsions touchent à la fois l’amplitude et la phase du signal comme montré dans la figure 1.2. Ces réponses en phase et en amplitude sont communément appelées conversions AM-AM et AM-PM.

Test 2 tones

Les courbes de conversion AM-AM et AM-PM ne donnent qu’une première appréciation de la linéarité de l’amplificateur. Pour avoir une meilleure description de cette linéarité, on a généralement recours au test deux tonalités (two-tone) où on mesure la sortie de l’amplificateur quand il est excité par un signal formé de deux raies assez proches. Ce test permet d’analyser le contenu spectral du signal de sortie et donc d’extraire les harmoniques et les composantes fréquentielles indésirables.On distingue les harmoniques, fréquences multiples des deux raies du signal d’entrée. Ces harmoniques sont éloignés de la bande utile du signal et peuvent donc être filtrés. De plus, d’autres composantes fréquentielles, appelés produits d’intermodulations, apparaissent dans le spectre du signal de sortie. Ces produits correspondent aux raies ayant pour fréquences fIM=±nf1±mf2. La somme n+m définit l’ordre du produit d’intermodulation. Selon la parité de son ordre, on distingue deux types de produits d’intermodulations : les produits d’ordre pair et les produits d’ordre impair. Les produits d’intermodulation d’ordre pair sont généralement loin de la bande utile du signal, ils peuvent être éliminés par filtrage et n’affectent donc pas la linéarité du système. Cependant, les produits d’ordre impair sont gênants puisqu’ils peuvent se produire à proximité des raies utiles. Ceci peut donc perturber la transmission dans les canaux adjacents. Le degré de distorsion introduit par ces composantes est généralement quantifié par le rapport entre la puissance contenue dans la fondamentale de la sortie et celle d’une composante d’intermodulation impaire. Dans la figure 1.4, nous présentons l’exemple de l’intermodulation d’ordre 3. Le point P1dB représente le point où la puissance du signal de sortie utile baisse de 1dB. La courbe IM3 décrit la variation de la puissance de l’intermodulation de 3éme ordre en fonction de la puissance d’entrée (Schlumpf, 2004).

Les classes d’amplification linéaires

Dans cette section, on s’intéresse à un autre aspect des amplificateurs de puissance, à savoir les classes de polarisation. Comme nous allons l’étudier, selon la polarisation du transistor, l’amplificateur aura un comportement en linéarité et en efficacité énergétique assez particulier. Cette notion de classes d’opération de l’amplificateur en fonction de sa polarisation couvre les classes dites linéaires. D’autres classes sont proposées dans la littérature, connues sous le nom de classes à commutation. Ces classes correspondent à une adaptation particulière du transistor lui permettant d’opérer en commutation avec de très grands niveaux d’efficacité énergétiques.

Fonctionnement de l’amplificateur

La figure 1.5 présente le circuit simplifié utilisé pour conceptualiser le fonctionnement de l’amplificateur de puissance. Notons que ce circuit correspond à l’utilisation d’un transistor de type FET. Le signal RF d’entrée est appliqué au niveau de la grille. Une source de tension DC alimente le transistor au niveau du drain. Afin d’éviter toute fuite du signal RF vers cette source, un RF chocke est connecté entre la source DC et l’entrée du drain DC. Le courant fourni par le transistor, Id, est délivré à une charge présentée à la sortie du circuit. Une capacité est connectée en série avec la sortie du drain afin d’empêcher la fuite des composantes DC dans la sortie RF de l’amplificateur. De plus, les harmoniques résultant de tout éventuel comportement non-linéaire de l’amplificateur sont filtrés par un filtre passe-bas.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 LES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE RF
1.1 Introduction
1.2 Amplificateur de puissance
1.2.1 Introduction
1.2.2 Efficacité énergétique
1.3 Linéarité de l’amplificateur de puissance
1.3.1 Conversion AM-AM et AM-PM
1.3.2 Test 2 tones
1.4 Les classes d’amplification linéaires
1.4.1 Fonctionnement de l’amplificateur
1.4.2 Angle de conduction et classe de polarisation
1.4.3 Analyse du courant du drain selon l’angle de conduction
1.5 Les classes d’amplification à commutation
1.5.1 Amplificateur de classe F
1.5.2 Amplificateur de classe E
1.6 Amplificateur de puissance et modulations numériques
1.6.1 Introduction
1.6.2 Facteur de crête et filtre de Nyquist
1.6.3 Mesure de l’impact du comportement non-linéaire de l’amplificateur sur les signaux modulés
1.6.4 Impact du comportement non-linéaire de l’amplificateur au niveau système
1.6.5 Compromis linéarité et efficacité
1.7 Les techniques d’amplification avancées
1.7.1 Prédistorsion
1.7.2 Feed-back
1.7.3 La méthode Feed-forward
1.7.4 La technique EER
1.7.5 La technique Doherty
1.7.6 Amplification linéaire avec des composants non linéaire (LINC)
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 TECHNIQUE D’AMPLIFICATION LINC
2.1 Introduction
2.2 Le système LINC
2.2.1 Introduction
2.2.2 Décomposition du signal et efficacité de combinaison
2.3 Combineur adapté
2.3.1 Combineur Wilkinson
2.3.2 Combineur hybride
2.3.3 Efficacité énergétique d’un combineur adapté
2.4 Combineur Chireix
2.4.1 Modèle du combineur Chireix avec des sources idéales
2.4.2 Modèle du combineur Chireix dans un système LINC en tenant compte de la désadaptation entre les sources et le combineur
2.4.3 Efficacité du combineur Chireix
2.4.4 Modèle simplifié du combineur Chireix
2.5 Étude des performances du combineur Chireix
2.5.1 Combineur Chireix avec des sources idéales
2.5.2 Combineur Chireix avec signaux modulés
2.5.3 Impact du combineur sur le BER
2.5.4 Conclusion préliminaire
2.6 Combineur Chireix numérique
2.6.1 Formulation mathématique
2.6.2 Validation par simulations
2.6.3 Validation expérimental
2.6.4 Application aux signaux MQAM
2.7 Amplificateur LINC avec combineur Chireix
2.7.1 Cas d’un système LINC avec combineur Chireix sans stubs
2.7.2 Cas général d’un système LINC avec stubs
2.7.3 Système LINC avec combineur Chireix numérique
2.7.4 Conception d’un système LINC efficace et linéaire
2.8 Amplificateur LINC avec combineur Chireix : Mesures expérimentales
2.8.1 Cas du système LINC avec combineurs physiques
2.8.2 Cas du système LINC avec combineurs numériques
2.8.3 Performances de l’amplificateur LINC avec un signal modulé
2.9 Conclusion
2 CHAPITRE 3 ÉTUDE DE LA TECHNIQUE D’AMPLIFICATION MILC
3.1 Introduction
3.2 Principe de la méthode MILC
3.3 Efficacité de la technique MILC
3.4 Application de la technique MILC aux modulations adaptatives
3.4.1 Efficacité énergétique
3.4.2 Impact sur la linéarité
3.5 Validation expérimentale
3.6 Linéarisation des amplificateurs du système MILC
3.6.1 MILC sans predistorsion
3.6.2 MILC avec prédistorsion
3.7 Conclusion
6 CHAPITRE 4 ARCHITECTURE D’AMPLIFICATION À DEUX BRANCHES ASYMETRIQUES
4.1 Introduction
4.2 Système d’amplification à deux branches asymétriques
4.2.1 Fondements théoriques de la technique et motivations
4.2.2 Décomposition du signal
4.2.3 Modèle RF du système
4.2.4 Rapport des puissances de saturation des deux amplificateurs
4.2.5 Expression de l’efficacité énergétique
4.3 Application de la technique aux signaux PSK et QAM
4.4 Application de l’architecture à la Modulation MSK filtrée
4.4.1 Modulation CPM et cas du MSK
4.4.2 Filtrage de la modulation MSK
4.4.3 Décomposition du signal MSK filtré et étude des dynamiques des composantes principale et résiduelle
4.5 Évaluation des performances de l’architecture proposée avec le signal MSK
4.5.1 Amplification à une seule branche en classe B
4.5.2 Amplification à deux branches avec amplificateur secondaire en classe A
4.5.3 Amplification à deux branches avec Amplificateur secondaire en classe AB
4.5.4 Amplification à deux branches avec amplificateur secondaire en classe B
4.5.5 Comparaison entre l’architecture à deux branches asymétriques et l’amplificateur de classe B.
4.6 Impact du déséquilibre entre les deux branches
4.7 Conclusion
2 CONCLUSION
RECOMMANDATIONS ET TRAVAUX FUTURES
BIBLIOGRAPHIE