Amplification de puissance linéaire à haut rendement en technologie GaN intégrant un contrôle de polarisation de grille

par Pierre Medrel

Thèse de doctorat en Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes

Sous la direction de Jean-Michel Nébus et de Philippe Bouysse.

Soutenue le 21-10-2014

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le président du jury était Raymond Quéré.

Le jury était composé de Jean-Michel Nébus, Philippe Bouysse, Jean-Francois Villemazet, Luc Lapierre, Jacques Sombrin.

Les rapporteurs étaient Eric Kerhervé, Nathalie Haese-Rolland.


  • Résumé

    Cette thèse s’inscrit dans le domaine de l’amplification de puissance microonde linéaire et haut rendement en technologie GaN. Le premier chapitre décrit le contexte général de l’émission de signaux microondes de puissance pour les télécommunications sans fil, avec un focus particulier apporté sur l’amplificateur de puissance RF. Les différents critères de linéarité et d’efficacité énergétique sont introduits.Le second chapitre présente plus particulièrement la technologie GaN et le transistor de puissance comme brique de base pour l’amplification de puissance microonde. Une revue synthétique des différentes architectures relevées dans la littérature relative à l’amplification à haut rendement est faite.En troisième chapitre, le banc de mesure temporelle d’enveloppe développé et servant de support expérimental à cette étude est présenté. Les procédures d’étalonnage et de synchronisation sont décrites. En illustration, une nouvelle méthode de mesure du NPR large bande est présentée, et validée expérimentalement.Une solution d’amplification adaptative innovante est étudiée dans le quatrième chapitre, et constitue le cœur de ce mémoire. Celle-ci se base sur le contrôle dynamique de la polarisation de grille autour du point de pincement, au rythme de l’enveloppe de modulation. Un démonstrateur d’amplification 10W GaN en bande S (2.5GHz) est développé. Comparativement à la classe B fixe, une forte amélioration de la linéarité est obtenue, sans impact notable sur le rendement moyen de l’amplificateur RF. Finalement, une investigation de la technique proposée pour l’amélioration du rendement du modulateur dans l’architecture d’envelope tracking de drain est menée.

  • Titre traduit

    Linear and high efficiency microwave GaN-based power amplification with a gate bias control


  • Résumé

    This work deals with linear and high efficiency microwave power amplification in GaN technology.The first chapter is dedicated to the general context of wireless telecommunication with a special emphasis on the RF power amplifier. The most representative figures of merit in terms of linearity and power efficiency are introduced.The second chapter deals more specifically with the GaN technology and GaN-based transistor for microwave power amplification. A description of the principal architectures found in the literature related to high efficiency and linear amplification is summarized.In the third chapter, the developed envelope time-domain test bench is presented. Time-synchronization and envelope calibration procedures are discussed. As an illustration, a new specific wideband NPR measurement is presented and experimentally validated.An innovative power amplifier architecture is presented in the fourth chapter. It is based on a specific dynamic gate biasing technique of the power amplifier biased close to the pinch-off point. A 10W GaN S-band demonstrator has been developed. Compared to fixed class-B conditions, a linearity improvement has been reported without any prohibitive efficiency degradation of the RF power amplifier. Finally, an investigation of the proposed technique for the efficiency improvement in the drain envelope tracking technique is proposed.


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