Optimisation du rendement d'amplificateurs de puissance sous contraintes de linéarité en présence de modulations numériques complexes

par Ludovic Bacqué

Thèse de doctorat en Electronique des hautes fréquences et optoélectronique

Sous la direction de Philippe Bouysse et de Raymond Quéré.

Soutenue en 2008

à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .

mots clés

• Amplificateurs de puissance
• Systèmes de télécommunications à large bande
• Ondes électromagnétiques -- Polarisation
• Convertisseurs continu-continu
• Télécommunications -- Systèmes de commutation
• Transistors MOSFET
• Nitrure de gallium

Titre traduit

Nouvelles méthodes optiques non linéaires pour le traitement et le transport d'impulsions à l'échelle de temps femtosecondes

Résumé

Dans un souci de réduction de la consommation des équipements de télécommunications, les concepteurs de systèmes et de sous ensembles recherchent des solutions innovantes. Pour les modules d’émission, une grande partie de cette consommation est issue des cellules amplificatrices. Dans la littérature, de nombreuses topologies ont été décrites et testées avec plus ou moins de succès. Nous proposons, dans ce manuscrit, deux topologies différentes d’amplificateurs de puissance à polarisation auto-adaptée basées sur le principe de l’ "Envelope Tracking". L’alimentation variable conçue pour commander la polarisation d’un amplificateur 100W large bande (50-500MHz) est construite à partir de composants commerciaux en vue d’une intégration industrielle. Avec succès, nous avons démontré le caractère large bande de cette technique en présence de deux modulations numériques (16QAM & OFDM) très utilisées pour des communications civiles et militaires sans fil. Une méthodologie complète de caractérisation et de test a aussi été proposée. Le second travail développé ici présente une nouvelle topologie d’alimentation par commutation. A partir de composants encore expérimentaux, cette alimentation a été réalisée et a montré de bons résultats validant le principe général mis en place. Cet exposé se termine par une méthodologie de conception d’amplificateurs de puissance nécessaire pour la mise au point d’une commande de polarisation efficace.

Résumé

This thesis deals with linearity and effciency improvements of high power microwave and RF amplifiers. When power amplifiers are working with envelop varying signals (such as 16QAM, OFDM. . . ), an output power back-off (OBO) is usually applied to reach a high linearity in order to ensure signal integrity. Unfortunately, this OBO results in a very poor efficiency of the amplifier and results in a high DC power consumption and higher working temperatures. The solution to this dilemma is to use an envelop tracking (ET) system which consists in controlling the amplifier bias point according to the input envelop power level. Such a system llows to keep a constant complex gain with high effciency over the input power range. Two techniques for implementing this dynamic bias principle have been studied and designed in this work : the first circuit is based on a high power (up to 150W) DC- DC buck converter associated to a sigma delta modulator , the second circuit is new and based on a high speed switched power supplies system. The ET techniques are detailled and validated with two power amplifiers (a UHF-VHF 100W LDMOS Push-pull amplifier and a 10 W X band GaN amplifier). Many simulations and experimental results (EVM, ACPR , PAE) are presented and discussed. An implementation of a digital predistorsion of the bias controlled amplifier have also demonstrated significant improvements of both linearity and efficiency.