Alimentations de puissance agiles en technologie GaN pour l’amplification de puissance RF

A new GaN based high speed and high power switching circuit for envelope tracking modulators

• Auteur / Autrice : Patrick Augeau
• Direction : Raymond Quéré, Philippe Bouysse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Nébus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Audrey Philippon-Martin, Eric Bergeault, Christophe Gaquière, Olivier Jardel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Bergeault, Christophe Gaquière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de télécommunications

Amplificateurs

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Commande dynamique de polarisation

Résumé

Dans un système de télécommunications, l’amplificateur de puissance à l’émission est le dispositif présentant les pertes énergétiques les plus importantes. Il s’avère nécessaire de mettre en oeuvre des techniques d’amélioration de son rendement. La gestion dynamique de polarisation (envelope tracking) est une des solutions possibles qui consiste à adapter la polarisation de l’amplificateur au niveau de puissance instantanée appliqué à son entrée. L’état de l’art des différents travaux portant sur les modulateurs de polarisation pour l’envelope tracking met en évidence la complexité de conception de tels modulateurs ayant les performances requises en termes de rendement, rapidité et puissance. Dans ces travaux de thèse, une cellule de commutation originale à base de transistors GaN est analysée théoriquement puis par des simulations temporelles non-linéaires. Les résultats expérimentaux ont validé les prévisions théoriques. Deux modulateurs de polarisation ont ensuite été réalisés à partir des cellules de commutation élémentaires. Le premier modulateur est un convertisseur DC-DC basé sur une modulation PWM dédié à l’envelope tracking continu. Le deuxième modulateur de polarisation est un dispositif de commutation d’alimentations dédié à l’envelope tracking discret. Le couplage de ce modulateur avec un amplificateur de puissance RF a été réalisé et les résultats en matière de rendement et de linéarité sont présentés.

In telecommunication systems, the impact of front-end consumption on the system efficiency is one of the most critical issues which drives a lot of research effort. At power amplifier (PA) level, the implementation of efficiency improvement techniques is mandatory. The dynamic biasing technique (envelope tracking) appears as a promising technique for the modern standard communications requirements. In such a technique, the drain supply voltage of the PA is dynamically adjusted in accordance with the value of envelope signal being transmitted. State of the art works focusing on bias modulators for envelope tracking highlight the design complexity of such modulators to meet the expected efficiency, power and speed requirements. In this thesis, innovative topology and design method of GaN-based switching cells is theoretically analyzed and validated by non-linear transient simulations. Such improvements of switching cells are validated by two different demonstrators which are realized in high-frequency, high-power GaN HEMT technology. The first modulator is a DC-DC converter driven by a Pulse Width Modulation (PWM) signal, in order to perform a continuous tracking of the drain supply envelope. The second modulator operates in switching mode in order to perform a discrete tracking of the drain supply envelope. This last modulator was coupled to a RF power amplifier to experimentally demonstrate its efficiency without negative impact on PA linearity.