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  1. 1. AMÉLIORATION DE LA LINÉARITÉ ET DU RENDEMENT ÉNERGÉTIQUE DES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE DE TOPOLOGIE À DEUX BRANCHES POUR LES COMMUNICATIONS SANS FIL ; CAS D’UN AMPLIFICATEUR LINC Présenté par : Mohamad El-Asmar El- Doctorat en génie électrique Jury M. Ammar Kouki directeur de la thèse M. Eric David président du jury M. François Gagnon membre M. Fadhel Ghannouchi membre externe M. Denidni Tayeb membre externe indépendant
  2. 2. PLAN INTRODUCTION LES AMPLIFICATEURS À SIMPLE BRANCHE TECHNIQUES D’AMÉLIORATION DES PERFORMANCES LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC MODÈLE SIMPLIFIÉ DU COMBINEUR CHIREIX AVEC STUBS ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR CHIREIX SANS STUBS L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX CONCLUSION CONTRIBUTION 2
  3. 3. INTRODUCTION • Les systèmes de communication 2G utilisent souvent 2G la modulation à enveloppe constante; 0 -10 FM, PM, GSM, TDMA, DCS FwdSpec -20 -30 Faible efficacité spectrale -40 -50 1997.5 1998.0 1998.5 1999.0 1999.5 2000.0 2000.5 2001.0 2001.5 2002.0 2002.5 Mega_Hertz • Augmenter l’efficacité spectrale 3G systèmes de communication moderne 3G 20 utilisent l’enveloppe et la phase du signal 0 -20 FwdSpec -40 UMTS, CDMA, MQAM, OFDM -60 -80 -100 1997.5 1998.0 1998.5 1999.0 1999.5 2000.0 2000.5 2001.0 2001.5 2002.0 2002.5 Mega_Hertz 3
  4. 4. INTRODUCTION Problematique • Le système 3G présente un signal à enveloppe variable ayant un PTAR qui croit avec le nombre de porteuses transmises. • Besoin d’amplifier ce signal linéairement avec une efficacité énergétique acceptable. • Le PA traditionnel doit être opérer dans sa région linéaire. Faible efficacité énergétique. PTAR Remède 1- Réaliser un compromis entre linéarité et efficacité. PA simple branche 2- Utilisation des techniques d’amélioration de la linéarité et de l’efficacité énergétique. 4
  5. 5. LES AMPLIFICATEURS À SIMPLE BRANCHE Pout η P1dB Classes A, AB, B Linéaires mais pas efficaces ηmax Efficaces mais pas linéaires Classes C, F, E, D DC Pout ηmoy η= PDC IPBO Pin Pmoy Efficacité Temps de parole PTAR IPBO Linéarité • Un compromis peut améliorer l’efficacité énergétique mais sur le coût de la linéarité. 5
  6. 6. TECHNIQUES D’AMÉLIORATION DES PERFORMANCES Techniques de linéarisation Predistortion feedback feedforward LINC Techniques d’efficacité Class F Doherty EE&R Notre choix • Le système LINC a été choisit pour notre étude • LINC améliore en effet l’efficacité et la linéarité en même temps Problématique • Les travaux rencontrés dans la littérature ne sont pas suffisamment matures • Besoin d’une étude approfondie du système LINC 6
  7. 7. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC Analytiquement: S1(θ) G r ( t ) = rmax cos (θ ( t ) ) GS1(θ) S (t ) = r (t ) e j (ωt +ϕ ( t )) S(t) Separateur du signal GKS(t) + DSP r GS2(θ) S2 ( −θ ) = max e ( r j ωt +ϕ ( t ) −θ ( t ) ) S1 (θ ) = max e ( j ωt +ϕ ( t ) +θ ( t ) ) S2(-θ) G 2 2 Sout (t ) = GK ( S1 (t ) + S2 (t ) ) Sout (t ) = GKrmax cos(θ (t )e j (ωt +ϕ ( t )) = GKS (t ) Vectoriellement: θ (t ) θ θ θ θ θ L’enveloppe est maximum avec θ = 0 et minimum avec θ = 90 deg 7
  8. 8. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC Combineur adapté Wilkinson V1 Vo1 G 1 Combineur 3 V2 Vo2 G 2 1 Partie analogique du LINC 3 Combineur 2 Chireix 8
  9. 9. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC LINC avec combineur adapté: (Hybride ou Wilkinson) rmax jθ V1 V1 = e G Vo1 1 2 Po1 Vout (t ) = GVin (t ) Combineur 2 Wilkinson r Pout Linéaire V2 = max e− jθ V2 G Vo2 2 Po2 Pout ηComb = = cos 2 θ 1.0 Po1 + Po 2 0.8 η Com b 0.6 Efficacité 100% avec θ=0 deg 0.4 0.2 0% avec θ 90 deg 0.0 0 20 40 60 80 100 θ 9
  10. 10. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC LINC avec combineur adapté: (Hybride ou Wilkinson) Efficacité moyenne η = ∑ P(θi ).ηComb (θi ) η = ∑ P(θi ).cos θi 2 m m i =1 i =1 Application SR = 150 KHz avec α = 0.35 Modulation QPSK 16QAM 64QAM OFDM/16QAM PTAR/dB 3.75 6.43 6.82 11.75 Efficacité moyenne 0.45 0.25 0.24 0.084 • L’efficacité moyenne se dégrade rapidement avec l’augmentation du PTAR • Considérer des combineurs sans pertes pour améliorer l’efficacité: combineur Chireix 10
  11. 11. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC AVEC COMBINEUR CHIREIX Combineur Chireix Modèles proposés dans la littérature • modèles ne tenant pas compte de la réflexion du combineur sur PA - Modèle Cripps, Stengel, Raab, équipe de NOKIA • modèle tenant compte du phénomène de réflexion - Modèle Birafane 11
  12. 12. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC AVEC COMBINEUR CHIREIX Modèle de Birafane: (LACIME) Vo1 = G.V1 (θ ).[1 + Γ1 ] = Vo1 e jθ ' Vo 2 = G.V2 (−θ ).[1 + Γ 2 ] = Vo 2 e− jθ ' Z c2 Z1,2 =  Z o  2 cos 2 θ '+  Z2  j  ± B c ∓ sin 2θ '   θ ' = θ + phase(1 + Γ)  Zo     Combineur Chireix 8. y 2 .cos 2 θ ' η (θ ') = Vo = y.Grmax . 1 + Γ1 .cos θ ' (1 + 2. y 2 .cos 2 θ ') 2 + ( B.Z o − y 2 .sin 2θ ') 2 B.Z o .tgθ + 1 Zo cos θ ' = avec y= ( B.Z o .tgθ + 1) 2 + (tgθ + 2 y 2 .tgθ − B.Z o ) 2 Zc 12
  13. 13. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC AVEC COMBINEUR CHIREIX Modèle de Birafane: (LACIME) • Rigoureux et réaliste dans la description du phénomène de réflexion. • Les équations de ce modèle sont complexes et pas faciles à utiliser. • Il considère l’amplificateur comme une source de tension en série avec une impédance 50Ω. Notre objectif • Étudier et simplifier les équations de ce modèle. • Étude des différentes configurations du combineur Chireix dans le but d’améliorer les performances du système. • Étudier le comportement de l’amplificateur RF vis-à-vis de la variation de la charge du combineur. • Validation de notre étude par simulation ADS • Design et validation expérimentale du système Chireix. 13
  14. 14. MODÈLE SIMPLIFIÉ DU COMBINEUR CHIREIX AVEC STUBS Analyse 8. y 2 .cos 2 θ ' B.Z o .tgθ + 1 Modèle du Birafane η (θ ') = cos θ ' = (1 + 2. y 2 .cos 2 θ ') 2 + ( B.Z o − y 2 .sin 2θ ')2 ( B.Z o .tgθ + 1) 2 + (tgθ + 2 y 2 .tgθ − B.Z o ) 2 En remplaçant la susceptance B en Siemens par sa longueur électrique γ en degré γ = arctg ( BZ o ) 1. Le max de η se produit avec θ=γ . Observation 2. Le max de η varie avec γ . 3. η est maximisée en optimisant γ Équation empirique η (θ ) = K ( z c , γ ). cos 2 (θ − γ ) 14
  15. 15. MODÈLE SIMPLIFIÉ DU COMBINEUR CHIREIX AVEC STUBS Modèle complexe Modèle simplfié 8. y 2 .cos 2 θ ' 8 y 2 cos 2 γ η (θ ') = η= cos 2 (θ − γ ) (1 + 2. y 2 .cos 2 θ ') 2 + ( BZ o − y 2 .sin 2θ ') 2 (1 + 2 y 2 cos 2 γ ) 2 2 y.cos γ Vo = y.Grmax . 1 + Γ1 .cos θ ' Vo = G.rmax cos(θ − γ ) 1 + 2 y 2 cos 2 γ rmax .G.cos γ Vo1,2 = Vo1 e jθ ' = G rmax 2 1 + Γ1 e ± jθ ' Vo1,2 = 1 + 2 y cos γ 2 2 ( cos(θ − γ ) ± j (sin(θ − γ ) + 2 y 2 sin θ cos γ ) ) Outils de simplification Conclusion • Concevoir le combineur avec exactitude B.Z o .tgθ + 1 cos θ ' = 8 zc2 cos 2 γ ( B.Z o .tgθ + 1) + (tgθ + 2 y .tgθ − B.Z o ) 2 2 2 η θ =γ = 100% K= =1 ( zc2 + 2 cos 2 γ )2 Z − Zo Z c2 zc = 2 cos γ Γ1 = 1 Z1 = K =1 Z1 + Z o   Z c2  Z o  2 cos θ '+ j  B 2 − sin 2θ '     • La non linéarité est directement visible   Zo  • Le stub est la source de non linéarité 15
  16. 16. MODÈLE SIMPLIFIÉ DU COMBINEUR CHIREIX AVEC STUBS Impact du stub sur la linéarité Avec simulation ADS Avec réalisation expérimentale (modèle simplifié) 16QAM Ce modèle peut être très utile dans la conception de combineurs Chireix avec compromis d’efficacité – linéarité. 16
  17. 17. ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR CHIREIX SANS STUBS Impédances d’entrée Z c2 Z1,2 =   Z2  Z o  2cos 2 θ '+ j  ± B c ∓ sin 2θ '    Zo     B.Z o .tgθ + 1 cos θ ' = ( B.Z o .tgθ + 1) 2 + (tgθ + 2 y 2 .tgθ − B.Z o ) 2 Z c2  2Z 2  2Z Avec B=0 Z1,2 = (1 ± jtgθ ') tgθ ' = 1 + 2o  tgθ Zc  2Z o  Z c2  Z2  Z1,2 = ± j  c + Z o  tgθ 2Z o  2Z o  Adaptation avec θ =0 Zc = 2 ⋅ Zo Z1,2 = Z o (1 ± jtgθ ) 17
  18. 18. ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR CHIREIX SANS STUBS Voltages: rmax jθ rmax − jθ Vin = rmax cos θ V1 = e V2 = e 2 2    Z c2  Z c2 Vo 2 = Grmax  2 cos θ − j sin θ  Vo1 = Grmax  2 cos θ + j sin θ  Sans stubs (  Z c + 2 Z o2  )    (  Z c + 2Z o2 )   2Zo Z c 2Z o Z c Et Vo = ⋅ G ⋅ rmax cos θ Vo = ⋅ G ⋅ Vin (Z 2 c + 2Z 2 o ) (Z 2 c + 2Z 2 o ) 18
  19. 19. ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR CHIREIX SANS STUBS Voltages :(suite) En adaptant l’impédance avec θ=0 Zc = 2 ⋅ Zo Equations sous forme normalisées 1 Vo1 = cos θ + j sin θ 2 1 tgθ ' = 2tgθ Vo = × Vin 1 2 Vo 2 = cos θ − j sin θ 2 Malgré la déformation du signal à l’entrée du combineur le système Chireix sans stubs montre un bonne linéarité. 19
  20. 20. ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR CHIREIX SANS STUBS Voltages :(suite) 1 Vo1 Vo1,2 = cos θ ± j sin θ 2 1 V1,2 = ( cos θ ± j sin θ ) θ 2 V1 Angle θ’ Angle θ θ Vin Vo V2 Entrée du PA Vo2 Entrée du combineur 20
  21. 21. ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR CHIREIX SANS STUBS Po Efficacité: ηComb = P + P2 1 2 Po = ( G.K .rmax cos θ ) 2Z o 2  r  P = P2 =  G. max  1 2Z o  2  2 2z 2z 8 zc ηCOMB = 2.K cos θ 2 2 K= 2 c ηComb = .cos2 θ 1.0 (z + 2) 2 zc + 2 2 c 0.8 η Comb 0.6 Avec Zc = 2 ⋅ Zo ηComb = cos 2 θ 0.4 0.2 0.0 0 20 40 60 80 100 θ Dans ce cas, le combineur Chireix sans stubs qui déforme la phase et le module des voltages, agit comme un combineur adapté 21
  22. 22. ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR CHIREIX SANS STUBS Analyse avec PA ayant une impédance Zt quelconque: Z c2 Z c2 Cripps, Stengel Z1 = (1 + jtgθ ) Z2 = (1 − jtgθ ) PA est une source de tension Zt=0 2Z o 2Z o Notre analyse Z1 = Z c2 2Zo  Z c2 + j  2Z o  + Z t  tgθ  Z2 = Z c2 2Z o  Z2  − j  c + Z t  tgθ  2Z o  ( ηCOMB = 1 − Γ p 2 ) ⋅ cos θ 2 Γp est le coefficient de réflexion avec θ=0 1.0 0.9 o Circuit 0.8 Zt=Zo Équation 0.7 Zt=0.6Zo Efficacité 0.6 0.5 0.4 0.3 Zt=0.2Zo 0.2 0.1 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 θ , deg 22
  23. 23. Amplificateur avec une impédance complexe ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR CHIREIX SANS STUBS PA avec impédance complexe Zt=Rt+jXt Z c2  Z2  Z c2  Z2  Combineur Z1 = + j  c + ( Rt + jX t )  tgθ Z2 = − j  c + ( Rt + jX t )  tgθ 2Z o  2Z o  2Z o  2Z o   Z2   Z2   Z2   Z2  On obtient Z1 =  c − X t tgθ  + j  c + Rt  tgθ Z 2 =  c + X t tgθ  − j  c + Rt  tgθ  2Z o   2Z o   2Z o   2Z o  • Deux branches non balancées. • Risque d’instabilité du système. Zt=10+j20 Compenser la partie réactive du Zt 23
  24. 24. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX Analyse Z c2  Z2  • Pour une bonne linéarité, le combineur Chireix est considéré sans stubs Z1 = + j  c + Z t  tgθ 2Zo  2Z o  • La partie réactive du Zt est compensée Zt=resistive pure π • Pour réduire la composante DC, le PA est en classe B η Amp − B = 4 L’adaptation d’impédance avec θ=0 Z1 = Zt (1 + 2 jtgθ ) VDC Z t .Zt (1 + 2 jtgθ ) Zt (1 + 2 jtgθ ) 2.VDC . (1 + jtgθ ) Id 0 = Ztot = = ⋅ Id 0 = Z tot Z t + Z t (1 + 2 jtgθ ) 2 (1 + jtgθ ) Z t . (1 + 2 jtgθ ) ηC tot = Po = Po ηC tot = Po ⋅ (1 + 2 jtgθ ) Avec PDC I d 0VDC 2.VDC (1 + jtgθ ) 2 Zt Po ηhtot = 2 Avec un combineur hybride, Z1=Zt=fixe 2VDC Zt ηC tot = ηhtot ⋅ (1 + 2 jtgθ ) (1 + jtgθ ) 24
  25. 25. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX Analyse: (suite) Avec η htot = π ⋅ cos 2 θ ηC tot = π ⋅ cos 2 θ ⋅ (1 + 2 jtgθ ) 4 4 (1 + jtgθ ) τ (θ ) = (1 + 2 jtgθ ) −1 (1 + jtgθ ) 25
  26. 26. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX Validation par simulation ADS • Deux transistors, modèle CGH40010 de la compagnie Cree Inc polarisés en classe B. • Compensés et adaptés avec un combineur Chireix sans stubs. • Les drains voient une impédance augmentant en fonction de θ. Roll-off=0.35 η hybride ηChireix Taux d’amélioration 4QAM 0.247 0.368 49% 16QAM 0.15 0.21 40% 64QAM 0.128 0.172 34% 26
  27. 27. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX Validation par simulation ADS: (Suite) Linéarité Avec classe B non saturé Avec classe B saturé Vout Vout cosθ cosθ 27
  28. 28. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX Validation par simulation ADS: (Suite) Impédances Avec partie réactive compensée Avec partie réactive non compensée 28
  29. 29. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX Réalisation et mesures Générateurs de signaux RF 15dBm max Besoin d’un driver avec le PA Driver PH530 de Prewell. 30dBm, 10 dB. PA MPHA21010 de Motorola. 40dBm, 24dB 2110-2170MHz 29
  30. 30. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX Réalisation et mesures 8 paires de transformateurs d’impédance des longeures entre 0 et λ/2 Choix du paire produisant le maximum de η Transformateurs d’impédance 30
  31. 31. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX Réalisation et mesures Courant drain dans chaque branche pour 4 transformateurs Courant drain vs θ Courant drain total λ 16 λ 8 λ 4 5λ 16 31
  32. 32. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX Réalisation et mesures Efficacité et linéarité 5λ 16 λ λ 4 16 λ 8 32
  33. 33. CONCLUSION Le choix de la bonne architecture de transmetteur RF qui offre à la fois une bonne efficacité énergétique et une bonne linéarité, est crucial. L’architecture de transmetteur LINC a été choisie pour être bien investiguée tout au long de ce travail de thèse. Le système LINC avec un combineur Chireix sans perte a été étudie. Le modèle Birafane du combineur Chireix a été analyse puis amélioré et simplifié. Nous avons montré que le combineur Chireix sans stub est au maximum équivalent à un combineur adapté. Nous avons étudié l’impact de l’impédance du PA sur l’efficacité du système Chireix. L’interaction entre le PA et le combineur chireix et leur effet sur la consommation du courant drain Id a été analysé et étudié. Le logiciel ADS est considéré dans la validation théorique de notre travail. La validation expérimentale de notre travail en utilisant un transistor réel nous a permis de prouver qu’on peut obtenir un système efficace et linéaire. 33
  34. 34. Contribution Un nouveau modèle simplifie du système Chireix a été développé Équation simple a utiliser Tient compte de l’effet de la reflexion de combineur Amélioration du modèle Birafane en tenant compte de la non adaptation d’impédance du PA. Nous avons apporté des nouvelles techniques d’amélioration de l’efficacité en gardant une bonne linéarité, en ajustant les lignes de transmission a la sortie des Pas. Une validation expérimental et par simulation de ce travail de thèse. 34
  35. 35. MERCI ? 35

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