Validation du linéariseur pour un signal modulé

Validation du linéariseur pour un signal modulé

TWTA vs SSPA

Deux technologies d’amplificateur micro-ondes sont utilisées pour amplifier les signaux dans les transmetteurs RF: les tubes hyperfréquences et les SSPAs qui sont basés sur une cascade de transistors reliés par des diviseurs/combineurs de puissance (Hausman, Janvier 2008). Chaque catégorie offre un avantage pour certaines applications selon la fréquence radio et la puissance moyenne délivrée. On peut constater d’après la Figure 1.3 que les TWTA sont préférés pour les applications nécessitant une grande puissance de sortie à très haute fréquence (supérieur à 10 GHz), typiquement le domaine militaire, aérospatial et satellitaire. Les SSPAs sont dominants dans la bande Radio (jusqu’à 3 GHz) avec des niveaux de puissance ne dépassant pas les 100 Watts, comme par exemple le domaine cellulaire. Entre 3 GHz et 10 GHz, une zone de concurrence existe entre ces deux technologies et celle-ci est favorable au TWTA avec l’augmentation de la fréquence.

Structure et mode de fonctionnement

Le TWTA se compose de 4 sous-ensembles :
• le canon électronique qui produit un faisceau d’électrons très dense. Il est constitué d’un filament (heater) dont le rôle est d’assurer une haute température et de favoriser un échange thermique avec la cathode. Une fois la température de fonctionnement atteinte, un champ électrique est appliqué entre la cathode et l’anode permettant l’émission d’électrons. Celle-ci est accélérée par le potentiel positif de l’anode. Enfin, une grille (ou électrode) de contrôle permet de commander le faisceau d’électrons ;
• un circuit à ligne de retard qui supporte l’énergie électromagnétique qui va interagir avec le faisceau d’électrons. Il est constitué entre autre d’une hélice (spirale en cuivre) qui va conduire le signal RF et retarder la vitesse de propagation des électrons ;
• le collecteur qui recueille l’énergie des électrons qui n’ont pas été transmis au signal RF. Cette énergie est dissipée sous forme de chaleur ;
• l’enveloppe à vide qui sert de « package » pour le TWTA qui permet de maintenir un vide (de l’ordre de 10-8 millimètres de mercure) afin d’éviter certaines dégradations du tube comme la pollution de la cathode.

Point de compression 1 dB

Le point de compression 1 dB est défini comme le point où la puissance de sortie est diminuée exactement de 1 dB par rapport à la puissance linéaire idéale. On peut le repérer 31 graphiquement comme étant la puissance d’entrée pour laquelle le gain est diminué de 1 dB par rapport au gain linéaire (ou gain petit signal). Ce point est une autre figure de mérite importante de la non-linéarité du TWTA en mode CW. Pour tous les niveaux de puissance inferieurs à ce point, l’amplificateur est considéré comme linéaire ou faiblement non-linéaire. De ce fait, plus ce point est proche de la saturation (en entrée), meilleure est la linéarité du TWTA car cela implique une moindre compression de gain.

Simulateur classique vs simulateur Momentum d’ADS

Au cours de nos simulations avec ADS, nous avons principalement utilisé deux types de simulateurs lors de la conception des circuits passifs (coupleur, diviseur de Wilkinson) du linéariseur :
• le simulateur classique d’ADS qui utilise des modèles empiriques de composants. Ce simulateur présente l’avantage d’être rapide en temps de calcul pour la simulation des composants passifs. Cependant, nous avons remarqué qu’à notre bande fréquence (5 GHz – 6 GHz) les résultats optimisés avec ce simulateur sont décalés par rapport aux circuits fabriqués ;
• le simulateur Momentum d’ADS qui est un simulateur électromagnétique qui repose sur la méthode des moments pour la résolution des équations de Maxwell afin de générer les paramètres S d’un circuit donné (Halford, 2010). Les résultats obtenus avec ce simulateur à notre bande de fréquence sont assez proches des circuits fabriqués. Il permet de plus de créer des modèle EM qui sauvegardent les résultats simulés afin d’être traités par le simulateur classique. Cependant, le temps de calcul pour ce simulateur est plus long que le simulateur classique. À la suite de cette comparaison, nous avons adopté le simulateur Momentum pour la conception des lignes de transmission du coupleur, du diviseur de Wilkinson et du GD. Pour les deux derniers cités, nous avons utilisé une co-simulation des modèles EM des circuits sans les composants (résistance, diode, …) avec les modèles de ces composants fournis par les fabricants dans le simulateur classique.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 INTRODUCTION AUX AMPLIFICATEURS TUBES À ONDE PROGRESSIVE
1.1 Différents types d’amplificateurs RF
1.2 Les amplificateurs de puissance (PA)
1.2.1 Rôle des PA dans les chaines de communication RF
1.2.2 TWTA vs SSPA
1.3 Les tubes à ondes progressives
1.3.1 Structure et mode de fonctionnement
1.3.2 Domaines d’application
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 PROBLEME DE LINEARITÉ DU PA
2.1 Introduction
2.2 Comportement non-linéaire d’un amplificateur de puissance
2.2.1 Régions de fonctionnement
2.2.2 Conversion AM/AM et AM/PM
2.2.3 Effet de la non-linéarité du PA
2.3 Évaluation de la linéarité d’un PA
2.3.1 Rapport C/I (Carrier-to-Intermodulation Ratio)
2.3.2 ACPR (Adjacent Channel Power Ratio)
2.3.3 NPR (Noise Power Ratio)
2.3.4 Point de compression 1 dB
2.3.5 EVM (Error Vector Magnitude)
2.4 Linéarité vs efficacité
2.5 Techniques d’amélioration du rendement énergétique
2.5.1 Amplification linéaire en utilisant des composants non-linéaires (LINC)
2.5.2 Méthode EER (Enveloppe Elimination and Restauration)
2.5.3 Technique Doherty
2.6 Techniques de linéarisation
2.6.1 Feedback
2.6.2 Feedforward
2.6.3 Pré-distorsion
2.7 Conclusion
CHAPITRE 3 CARACTERISATION DU TWTA ET SIMULATION DU LINÉARISEUR
3.1 Introduction
3.2 Caractérisation du TWTA
3.2.1 Spécifications de l’amplificateur
3.2.2 Banc de mesures du TWTA
3.2.3 Résultats des mesures et interprétations
3.3 Synthèse de la fonction inverse de l’amplificateur (Target)
3.4 Modèle ADS proposé du TWTA
3.5 Topologie du circuit de pré distorsion proposé
3.5.1 Caractérisation générale du circuit de pré-distorsion
3.5.2 Simplification du problème d’ajustement en mode CW
3.6 Étude des composantes de contrôle du linéariseur
3.6.1 Structure balancée à base d’hybrides
3.6.2 Atténuateur
3.6.3 Déphaseur
3.6.4 Diviseur de Wilkinson
3.7 Étude du générateur de distorsions
3.7.1 Caractéristiques des branches du GD
3.7.2 Étude de la diode Schottky
3.8 Simulation du linéariseur
3.8.1 Ajustement du circuit de pré-distorsion simulé pour un test CW (5.9 GHz)
3.8.2 Validation par simulations du test 2 porteuses
3.9 Conclusion
CHAPITRE 4 CONCEPTION DES COMPOSANTS DU LINÉARISEUR
4.1 Introduction
4.2 Choix du substrat et des éléments électriques
4.2.1 Choix du substrat
4.2.2 Comportement fréquentiel de la résistance et choix du composant
4.2.3 Étude du comportement fréquentiel du condensateur
4.3 Réalisation / choix des composantes du linéariseur
4.3.1 Simulateur classique vs simulateur Momentum d’ADS
4.3.2 Conception du circuit de polarisation
4.3.3 Conception et réalisation d’une branche de GD
4.3.4 Conception du coupleur hybride 3 dB
4.3.5 Conception du diviseur de Wilkinson
4.3.6 Design initial de l’atténuateur et du déphaseur et choix des composants
4.3.7 Choix des composants de l’étage d’amplification
4.3.8 Conclusion
CHAPITRE 5 RÉALISATION EXPERIMENTALE ET VALIDATION DES RÉSULTATS
5.1 Validation du fonctionnement du linéariseur par simulation des mesures des modèles fabriqués
5.1.1 Modélisation de composants non-linéaires avec le format P2D
5.1.2 Construction des modèles non-linéaires du TWTA et du GD à partir des mesures
5.1.3 Simulation du linéariseur avec les modèles mesurés en mode CW
5.2 Validation expérimentale du circuit de pré-distorsion en mode CW
5.2.1 Banc de test CW
5.2.2 Résultats des mesures
5.2.3 Validation par test bi-porteuses
5.3 Validation du linéariseur pour un signal modulé
5.3.1 Structure et paramètres de la chaine numérique utilisée
5.3.2 Résultats de mesures et interprétations
5.4 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
RECOMMANDATIONS
ANNEXE IScript Matlab de génération du Target à 5.9 GHz(chapitre 3)
ANNEXE IIScript Matlab de génération du Target à5.2GHz(Chapitre 4 )
ANNEXE III Circuit de simulation du modèle P2D circuit de pré-distorsion
ANNEXE IV Brochure de spécifications techniques de la diode SMS 7621
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES