Étude et conception d'amplificateurs à combinaison spatiale (3D) de puissance en bande Ka

par Nicolas Picard

Thèse de doctorat en Sciences et technologies de l'information et de la communication

Sous la direction de Michel Ney.

Soutenue en 2010

à Télécom Bretagne , dans le cadre de École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère) , en partenariat avec Université européenne de Bretagne (2007-2016) (autre partenaire) .

mots clés

• Amplification de puissance
• Mmic
• Diviseurs-combineurs
• Ttopologie "Tray"
• Isolation des voies
• Déphasage
• Pannes
• Amplificateurs de puissance -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Les télécommunications par satellites sont devenues incontournables sur des marchés tels que le transfert de données ou la diffusion de programmes TV en tout point du globe. Les débits nécessaires pour ces applications, en perpétuelles évolutions, requièrent de plus large bande de fréquence telle que la bande Ka utilisée au cours de ces travaux. De plus, pour limiter la consommation des systèmes orbitaux, les amplificateurs de puissance doivent présenter un haut rendement. L’étude a pour but de faire progresser les dispositifs de combinaison d’amplificateurs de puissance à l’état solide (au format MMIC). La topologie basée sur l’empilement de plateaux actifs dans un guide rectangulaire est ainsi analysée et l’étude donne lieu à des diviseurs/combineurs permettant de combiner jusqu’à quatre amplificateurs avec un très haut rendement de combinaison, tout en respectant des contraintes de compacité. Pour garantir une combinaison des signaux amplifiées optimale, les voies du combineur doivent être en phase or les amplificateurs élémentaires utilisés provoquent le plus souvent une dispersion de phase. L’étude propose ainsi une solution innovante de déphasage faibles pertes pour mettre en phase chacune des voies. Le dispositif permet également d’augmenter le niveau d’isolation des voies entre elles de façon à limiter les perturbations qu’engendrerait la panne d’un MMIC sur une ou plusieurs voies. Un programme automatisé a été développé afin de faciliter une étude exhaustive des pannes sur le fonctionnement d’un combineur de puissance, avec ou sans isolation.

Titre traduit

Study and design of spatial power combiner in Ka-band

Résumé

Satellite communications have become essential in various markets such as data transfer on TV-broadcasting anywhere in the world. Bandwidths required for these applications, constantly increasing, induce the use of wider frequency bands for telecommunications systems such as Ka-band used in the work. In addition, to limit consumption of orbital systems, power amplifiers must have high power added efficiency. The study adds a contribution to the field of spatial combining techniques. This topology is based on tray stacking in a rectanqular waveguide with one or two solid state power amplifiers (MMICs) mounted on each tray. The study leads to the characterization of several dividers/combiners [up to four ways] which present a high combination efficiency, while respecting constraints of compactness. To ensure an optimal combination of amplified signals, the ways of the combiner must be in phase. However, the elementary amplifiers commonly used cause phase dispersion. The study proposes a low-bosses phase-shifter which minimize phase gap between the ways. The device also increases the level of isolation between the ways in order to reduce the disruption that would result from the failure of one or more MM1Cs, An automated program ha been developed tu analyse the impact of any failure cases on the ope-ration of any power combiner, with or without isolation.