Amplification de puissance à haut rendement en bande L et en technologie GaN intégrant une pré formation de la tension de commande d'entrée

High efficiency switched mode power amplification at L band with GaN technology

• Auteur / Autrice : Alaaeddine Ramadan
• Direction : Jean-Michel Nébus, Philippe Bouysse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique des hautes fréquences, photonique et systèmes
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-ondes

Nitrure de gallium

Amplificateurs de puissance

Mots clés libres

Formes d'ondes temporelles

Amplificateur en mode commuté SMPA (Switch mode power amplifier)

Classes de fonctionnement

Résumé

La technologie de semi-conducteurs de puissance GAN est en pleine phase de développement à l'heure actuelle et offre de réelles potentialités pour la génération de fortes puissances à l'état solide en hyperfréquence. Le sujet de thèse concerne donc l'étude de l'amplification de puissance en commutation en technologie GaN avec la réalisation d'un démonstrateur à 2 GHz sur la base d'une puissance de sortie de 15Watts. L'étude aboutit à un contrôle et une préformation adéquats des harmoniques de courants et de tensions en entrée et en sortie de l'étage de puissance. Un point innovant et central de ce travail de thèse a été l'analyse multi-harmonique conjointe entre l'étage 'driver' et l'étage de puissance pour préformer le signal de commande de l'étage de puissance et aboutir à un fonctionnement optimisé en rendement sur une large bande passante. Les travaux de thèse se sont concrétisés par la réalisation d'un amplificateur démonstrateur à deux étages comprenant un premier étage fonctionnant en classe F inverse et un second étage fonctionnant en classe F. Cette réalisation est par nature adressable à l'amplification de signaux à enveloppe constante ne nécessitant pas de spécifications contraignantes en terme de linéarité.

High efficiency performances of microwave power amplifiers are reached by implementing proper matching conditions at harmonic components. Harmonic tuned amplifiers offer for the moment the best energy conversion efficiency between DC supply and RF power at fundamental frequency available in a 50 Ω load. In addition to proper harmonic terminations, the minimization of power losses at fundamental frequency in the output RF matching and power combining circuit is of prime importance. This has been widely reported over the past few years. Considering this main aspect GaN technology offers an evident advantage due to its high drain voltage operation capability that is beneficial for designing low loss and wideband output matching circuits. Several works have been reported during the past few years. This work examines power added efficiency improvements by implementing an appropriate gate source voltage waveform shaping of power cells. Analytical calculations, circuit simulations using a nonlinear model of a 15W GaN HEMT and a two stage power amplifier design have been achieved. The power stage operates at high drain bias voltage under class F conditions while the driver stage operates at low drain bias voltage under inverse class F conditions to drive the input of power stage by an appropriate gate source voltage waveform shape. Very good power added efficiency have been reached over a wide frequency bandwidth. This work addresses the amplification of constant envelope signals that do not require any stringent specification in terms of linearity.