UPThèses

La demande des usagers en termes de débit, de couverture et de qualité de service croît exponentiellement, avec une demande de plus en plus accrue en énergie électrique pour assurer les liaisons entre les réseaux. Dans ce contexte, les nouvelles formes d’ondes basées sur la modulation OFDM se sont répandues et sont utilisées dans les récentes architectures de radiocommunications. Cependant, ces signaux sont très sensibles aux non-linéarités des amplificateurs de puissance à cause des fortes fluctuations d’enveloppe caractérisées par un fort PAPR qui dégrade le bilan énergétique et le rendement de l’émetteur. Dans ce travail de thèse, nous avons tout d’abord dressé un état de l’art des techniques de réduction du PAPR. Cette présentation nous a permis de proposer une nouvelle méthodologie basée sur les techniques d’entrelacement et de codage. Cette première contribution consiste en l’utilisation de la technique d’entrelacement, en faisant appel aux sous porteuses nulles pour la transmission des informations auxiliaires, tout en respectant les spécifications fréquentielles du standard utilisé. La deuxième contribution est basée sur la combinaison des deux techniques de Shaping et de Transformée en Cosinus Discrète DCT, dans l’objectif d’améliorer davantage les performances du système. Les résultats de simulation ont montré que l’utilisation de ces deux techniques permet un gain significatif en termes de réduction du PAPR, qui se traduit par l’amélioration du rendement. Enfin, nous avons présenté une étude expérimentale pour l’ensemble des techniques proposées afin de confirmer les résultats obtenus en simulation. Ces évaluations sont réalisées avec un banc d'essais de radiocommunications pour le test d'un amplificateur de puissance commercial de technologie LDMOS de 20W, fonctionnant à 3.7 GHz en classe AB. Les résultats obtenus pour les standards IEEE 802.11 montrent que ces nouvelles approches permettent de garantir la robustesse de transmission, d’améliorer la qualité des liaisons et d’optimiser la consommation électrique.

L’efficacité énergétique est un enjeu important dans les nouvelles normes de transmission, et l’amplificateur de puissance (PA) joue un rôle majeur dans le bilan de puissance des émetteurs sans-fil. Pour améliorer son rendement, le PA doit être utilisé à proximité de sa zone de saturation. Cela entraîne des distorsions du signal transmis dans les domaines temporel et fréquentiel. De plus, avec l'évolution des systèmes de transmission sans-fil, différents standards et normes sont apparus. Afin de garantir la portabilité entre ces différents réseaux, des systèmes RF multistandards ont été développés pour supporter plusieurs normes à la fois. La mise en œuvre de modules reconfigurables, y compris des amplificateurs, est une solution pour garantir la transition d'un standard à un autre. Pour de telles applications, étant donné le comportement variable du PA par rapport aux différentes conditions de fonctionnement, la modélisation de son comportement ou de son dispositif de linéarisation devient plus complexe. Dans le cadre de nos travaux, nous avons mené une étude sur la modélisation et la linéarisation des PA reconfigurables, et plus précisément sur leur comportement non-linéaire, qui est variables selon la forme d’onde. La méthode la plus classique consiste à mettre en parallèle plusieurs modèles qui correspondent aux différentes conditions de fonctionnement, avec comme inconvénient majeur la complexité et la taille du modèle. Une autre méthode consiste en la décomposition du modèle en un mode commun, qui représente le comportement nominal du PA, et un mode différentiel variable en fonction de l'application visée. Dans ce contexte, nous présentons un nouveau modèle en blocs appelé FWMP (Feedback-Wiener Memory Polynomial model) qui permet l’application de cette approche. Nous présentons également la procédure d'estimation paramétrique associée à ce modèle. Le modèle proposé est validé, par des simulations et expérimentations, en utilisant différents PA et formes d'onde issues d’applications civiles et aéronautiques. Les résultats obtenus montrent que le modèle FWMP a de bonnes performances comparables à l'état de l'art en matière de modélisation et de linéarisation des amplificateurs de radiocommunications.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse portent sur la linéarisation large bande d'amplificateurs de puissance par prédistorsion analogique. Ce travail vise à réduire la pollution spectrale provoquée par leur comportement non-linéaire lors d'une transmission satellite. Ce travail de thèse débute par une présentation des amplificateurs de puissance utilisés dans les émetteurs, en exposant les conséquences de leur comportement non-linéaire sur la qualité du signal. Pour pallier à cela, les techniques de linéarisation couramment utilisées ont été recensées, en mettant l'accent sur leurs avantages et inconvénients. C'est sur la base de cet état de l'art qu'une structure de prédistorsion analogique a pu être identifiée. Il s'agit d'une structure en réflexion à base de diodes Schottky, dont une partie de ce mémoire est consacrée à l'analyse de leur comportement non-linéaire. Appuyée par des résultats de simulations et des mesures effectuées sur maquettes, cette analyse nous a conduit à la mise en œuvre de la structure en réflexion dans le cadre de la linéarisation d'un amplificateur à tube à onde progressive (ATOP) en bande Ku. Nos travaux se sont ensuite tournés vers une nouvelle structure plus innovante, basée sur la mise en cascade de deux circuits de prédistorsion. La structure proposée bénéficie d'une configuration plus flexible et plus précise que la précédente, ce qui nous a permis d'obtenir de meilleurs résultats en matière d'amélioration de la linéarité. La dernière partie de ce travail de thèse est dédiée à l'approche expérimentale de deux méthodes numériques de prédistorsion en bande de base. L'intérêt de cette approche repose sur l'évaluation expérimentale de l'amélioration possible de la linéarité de l'ATOP et la comparaison avec les résultats obtenus par prédistorsion analogique.

Plusieurs standards de téléphonie mobile ont été définis et sont utilisés actuellement. Dans un avenir proche, avec le développement de la 5G de nouveaux standards et de nouvelles bandes de fréquence faire leur apparition. De ce fait, avec l'utilisation de nombreux circuits dédiés à un standard et donc à une bande de fréquence, des difficultés d'intégration et des problèmes de coûts apparaissent. Il est donc devenu nécessaire pour les concepteurs de proposer des circuits intégrés reconfigurables pour plusieurs gammes de fréquences avec des modes de fonctionnement différents. Dans un système d'émetteur récepteur, le duplexeur permet l'établissement d'une communication simultanée en utilisant une seule antenne pour la transmission et la réception de données, sans que celles-ci soient corrompues. C'est un composant vital, surtout pour la chaine de réception car la réception du signal désiré dépend de ses caractéristiques. Ce dispositif est conçu sur du matériau piézoélectrique, qui ne permet pas d'obtenir un filtre agile en fonction de la fréquence. Dans ce contexte, il est intéressant de rechercher une nouvelle architecture de duplexeur, permettant une réalisation intégrée et un fonctionnement agile. Plusieurs architectures de duplexeur ont été retenues en se basant sur des études récentes menées dans différentes équipes de recherche. Un classement de ces architectures a été proposé, avec des améliorations pour les rendre intégrables et reconfigurables. Parmi toutes les solutions de duplexeurs passifs étudiées, le duplexeur à coupleur hybride 3dB est une solution permettant d'obtenir des performances attractives. Les simulations pour différentes bandes de fréquences ont montré qu’il était difficile de respecter les spécifications de l’isolation Tx/Rx. Des solutions possibles ont été présentées et des modifications de la structure d'un amplificateur du LNA ont été évaluées en simulation. Ainsi, les performances d’isolation peuvent être améliorées grâce à des structures actives d’annulation du signal résiduel Tx. La conception, la réalisation et le test de coupleurs hybrides et duplexeurs sont présentés. Le circuit a été implémenté en utilisant la technologie SOI 0.13 micromètre de ST Microelectronics et mesuré avec un boitier BT soudé sur un support de test PCB. Les performances RF du duplexeur peuvent être ajustées en fonction de la bande de fréquence désirée grâce aux capacités commutées. Les performances RF du coupleur hybride 3dB permettent d’envisager l’application de la structure proposée pour les futurs développements de systèmes de téléphonie.

Ces travaux de recherche concernent la conception, la réalisation et la mesure des circuits d’amplification Doherty LDMOS intégrés large-bande pour stations de base, nécessaires au développement de la 5G. Suite à la recherche des techniques pour l’amélioration du rendement électrique pour des signaux à forte dynamique d’amplitude et les possibilités d’intégration, la technique Doherty a été choisie. Des études sur les structures Doherty à deux puis trois voies montrent que l’amélioration de rendement pourra être renforcée et étendue par l’ajout d’un troisième étage avec des tailles de transistors calculées en prenant en compte un fonctionnement en classe C des étages auxiliaires. Des limitations d’utilisation de la technique Doherty sont montrées par la prise en compte des différentes non-linéarités des transistors LDMOS. La recherche des architectures large-bandes montre que la technique d’absorption du CdS et l’utilisation de circuits de répartition de type mixte en entrée présentent des avantages pour l’intégration. A partir des différentes études, des amplificateurs de puissance Doherty MMIC à trois voies ont été réalisés avec un ratio d’asymétrie de 1 :3 :3 dans la bande de 1805 MHz à 2170 MHz. Les performances expérimentales montrent les potentialités du Doherty et notamment une nette amélioration du rendement sur toute la bande de fréquence. Des considérations spécifiques d’adaptation sont présentées dans le but de réduire les produits de distorsions d’ordre 3, 10 et 12 (IMD 10 /12). Les mesures de linéarité à différentes largeurs de bande instantanées sont très encourageantes et valident la nouvelle architecture du Doherty à trois voies asymétriques.