Généralités sur l’amplificateur de puissance et les techniques d’adaptation d’impédance

CONCEPTION ET FABRICATION D’UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE DOHERTY

INTRODUCTION

Dans le domaine des radiofréquences, l’amplificateur de puissance représente l’un des éléments les plus importants pour le design de la chaine de transmission. Il est situé à la dernière section de cette chaine. Pour différentes applications, tel qu’un téléphone cellulaire, une station de base ou une station TV, l’amplificateur est fabriqué en tenant compte de plusieurs paramètres essentiels tels que l’efficacité et la linéarité. Avec l’augmentation connue ces derniers temps dans le marché de communications sans fil, le téléphone cellulaire est devenu un moyen de communication populaire. Le succès de cette technologie dans les années précédentes a favorisé le développement de nouveaux services tel que l’accès à l’internet qui demande un débit de données assez important. Or, les systèmes de communications de deuxième génération installés dans le milieu de l’année 1990 ont été conçus pour les données à faibles débits. Ces systèmes utilisent des modulations à enveloppe constante telles que la modulation de la phase ou de la fréquence. La troisième génération utilise la modulation de l’amplitude et de la phase pour augmenter le débit de communication pour une même largeur de bande. Parmi ces systèmes, citons le fameux système UMTS (Universal Mobile Télécommunications System), le CDMA IS-95 (Code Division Multiple Access) et l’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). L’avantage présenté par cette génération est qu’avec une même largeur de bande, on peut avoir un débit beaucoup plus important que celui offert par la modulation à enveloppe constante. En conséquence, on obtient une efficacité spectrale différente et largement supérieure. Avec les techniques à enveloppe constante, l’amplificateur de puissance est utilisé à son point de saturation où l’efficacité est assez élevée, tandis qu’avec celles à enveloppe variable, l’amplificateur de puissance est opéré dans la région linéaire en reculant par rapport au point de saturation pour éviter de déformer le signal. Ce recul a un impact direct sur l’efficacité et la puissance moyenne transmise. C’est dans ce contexte que s’inscrit notre travail qui vise à améliorer les performances dans le système LINC (Linear amplification using non linear components), et ce, en maximisant l’efficacité de combinaison pour le combineur Chireix.

Amplificateur de puissance

Cette section présente le rôle de l’amplificateur de puissance ainsi que ses caractéristiques en termes de courant continu. Différentes classes de fonctionnement de l’amplificateur sont énumérées ainsi que leurs caractéristiques en termes de gain, de puissance délivrée, d’efficacité et de linéarité.

Bilan de puissance

L’amplificateur de puissance est un composant actif essentiel pour amplifier un signal quittant la bande de base et l’amener à un niveau de puissance requis pour pourvoir l’émettre.
L’amplificateur est alimenté par une source de courant continu qui lui permet d’amplifier tout signal se trouvant à son entrée. Les puissances d’entrée de l’amplificateur sont la puissance d’alimentation fournie par la source de courant continu généralement.

Techniques de linéarisation
Feedback

La technique feedback se base sur la méthode de rétroaction dans le dessein d’améliorer le niveau de linéarité du système. Son principe de fonctionnement est présenté à la Figure 2.1.
Un premier échantillon est extrait du signal entrant grâce à un coupleur. Après l’amplification, un deuxième coupleur permet de prendre un second échantillon du signal à la sortie. Ces deux signaux sont comparés par la suite et des ajustements sont calculés en fonction des deux échantillons récoltés. Les ajustements affectent alors le signal d’entrée. Ce traitement permet d’influer sur les distorsions présentes dans le signal à la sortie. En effet, un amplificateur et un déphaseur variables permettent d’agir sur l’entrée afin de réduire les distorsions apportées par l’amplificateur de puissance. L’inconvénient de cette technique est qu’elle réduit considérablement le gain (Cripps, 2006).

Feedforward

Le signal d’entrée subit une division à l’aide d’un premier coupleur : une partie passe à l’amplificateur principal qui est non linéaire et contient donc des distorsions, l’autre partie du signal est utilisée pour rétablir le signal (Cripps, 2006). Le signal sortant de l’amplificateur principal subit un couplage : une partie est combinée avec le signal d’entrée pour éliminer les composantes utiles ou principales. Cette dernière est amplifiée grâce à un amplificateur très linéaire généralement polarisé en classe A. La combinaison des deux derniers signaux grâce à un dernier combineur génère un signal utile amplifié sans l’existence de distorsion. Cette technique requiert beaucoup de précision en termes de gain et de délai entre les deux branches.

L’architecture Doherty
Présentation

L’architecture Doherty, illustrée à la figure 4.1, a été tout d’abord proposée en début des années trente et est principalement une technique d’amélioration de l’efficacité énergétique (Doherty, 1936) et (Cripps, 2006). La configuration de base d’une architecture Doherty se compose d’un diviseur de puissance, deux amplificateurs de puissance appelée respectivement l’amplificateur principal et l’amplificateur auxiliaire et enfin une structure de combinaison dédiée. Plusieurs configurations possibles peuvent être utilisées pour diviser la puissance incidente à savoir le diviseur Wilkinson ou bien le coupleur 3 dB hybride dont l’un des ports est relié à la charge adaptée. Les sorties des deux amplificateurs sont reliées entre elles par le transformateur quart d’onde. Ce dernier assure la transformation de l’impédance vue par l’amplificateur principal.

CONCLUSION

Le travail effectué dans cette maîtrise porte sur l’amélioration des performances de l’amplificateur de puissance pour les communications sans fil. Nous avons présenté au début de ce mémoire, une présentation générale de l’amplificateur de puissance à une seule branche ainsi que ses critères de performance. Par la suite, nous avons présenté une revue de la littérature dans laquelle nous avons analysé les techniques d’amélioration de l’efficacité et de la linéarité les plus connues dans les systèmes d’amplification de puissance.
La technique à laquelle nous nous sommes intéressés le plus est l’amplificateur LINC. Cette technique repose sur la conversion d’un signal à enveloppe variable en deux signaux à phase variable et à enveloppe constante. Ces deux phases du signal original varient de façon opposée entre 0 et 90 degrés quand le signal passe respectivement de son amplitude maximale à son amplitude minimale. À l’aide de deux amplificateurs efficaces, ces deux signaux sont amplifiés puis combinés pour reproduire de nouveau le signal original.
Dans le troisième chapitre, nous avons présenté le principe de la technique d’amplification LINC. En effet, nous avons présenté un système LINC utilisant un combineur Chireix basé sur un modèle utilisant des équations complexes qui décrivent l’efficacité de combinaison. Cependant, malgré la complexité de ce modèle, il demeure précis et décrit parfaitement le comportement de l’efficacité de combinaison comme vérifié sur l’outil de simulation ADS. En effet, les résultats de simulation montrent que l’efficacité moyenne du système peut être largement améliorée avec l’utilisation de susceptance sous forme d’un stub en circuit ouvert à l’entrée du combineur Chireix. Cependant, cette amélioration est obtenue en dégradant la linéarité du système.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 GÉNÉRALITÉS SUR L’AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE ET LES TECHNIQUES D’ADAPTATION D’IMPÉDANCE
1.1 Introduction
1.2 Amplificateur de puissance
1.1.1 Bilan de puissance
1.1.2 Critères d’évaluation des amplificateurs de puissance
1.1.2.1 Puissance de sortie
1.1.2.2 Efficacité énergétique
1.1.2.3 Gain
1.1.2.4 Point de compression à 1 dB
1.1.2.5 Le point d’interception d’ordre 3
1.2 Adaptation d’impédance
1.2.1 Réseau à deux éléments réactifs
1.2.2 Réseau à trois éléments réactifs
1.2.3 Réseau à quatre éléments réactifs
1.2.4 Le réseau d’adaptation d’impédance à base de lignes quart d’onde
1.2.5 Transformateur binomial
1.3 Conclusion
CHAPITRE 2 LES TECHNIQUES D’AMPLIFICATION AVANCÉES
2.1 Introduction
2.2 Techniques de linéarisation
2.2.1 Feedback
2.2.2 Feedforward
2.2.3 Pré-distorsion
2.3 Techniques d’amélioration de l’efficacité énergétique
2.3.1 Technique LINC
2.3.2 Technique EER (Enveloppe Elimination and Restauration)
2.3.3 Technique Doherty
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 ANALYSE DU COMBINEUR CHIREIX
3.1 Introduction
3.2 État de l’art
3.2.1 Mise en contexte
3.2.2 Présentation
3.2.3 Principe
3.2.4 L’efficacité moyenne
3.3 Analyse du combineur Chireix
3.3.1 Le stub dans le combineur Chireix
3.3.2 Analyse du combineur Chireix sans stub
3.3.3 Analyse du combineur Chireix avec stubs
3.3.4 Efficacité du combineur Chireix
3.3.5 Conception du combineur adapté
3.3.6 Validation des résultats
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 CONCEPTION ET FABRICATION D’UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE DOHERTY
4.1 Introduction
4.2 L’architecture Doherty
4.2.1 Présentation
4.2.2 Modélisation
4.2.3 Analyse du circuit
4.3 Fonctionnement
4.3.1 Faible niveau de puissance d’entrée
4.3.2 Niveau moyen de puissance d’entrée
4.3.3 Niveau élevé de puissance d’entrée
4.4 Conception
4.5 Réalisation et test
4.6 Conclusion
CONCLUSION

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