Contribution à la modélisation de transistors GaN et à la conception d’architectures innovantes d’amplificateurs de puissance à rendement amélioré pour modules d’émission-réception aéroportés

Contribution to GaN transistors modeling and design of novel power amplifier architectures for improved power added efficiency of airborne emit-receiver

• Auteur / Autrice : Julien Couvidat
• Direction : Raymond Quéré, Nathalie Deltimple
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des hautes fréquences, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 21/03/2019
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Eric Kerhervé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Jardel, Jean-Christophe Nallatamby, Benoit Mallet-Guy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Bergeault, Olivier Latry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radio en aéronautique

Amplificateurs de puissance

Nitrure de gallium

Conception assistée par ordinateur

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Mots clés libres

GaN

HEMT

Modélisation

Pièges

Amplificateur de puissance

GaN

HEMT

Modeling

Traps

HPA

Résumé

Les transistors à base de nitrure de gallium (GaN) ont, de par leurs propriétés physiques, des performances inégalables par les technologies classiques à base de silicium pour l’amplification de puissance hyperfréquence. Cependant, cette technologie souffre d’effets mémoires basses fréquences inhérents aux défauts présents dans la structure du transistor : les effets de pièges. La première partie de cette thèse vise à caractériser et modéliser les effets de pièges. La séparation des effets de pièges ayant des constantes de temps courtes (quelques ms) à ceux ayant des constantes de temps longues (quelques s) a été montrée à travers des mesures I-V impulsionnelles spécifiques. Un nouveau modèle électrique, basé sur la physique, a été développé au sein d’un simulateur CAO pour prendre en compte les effets de pièges lents. Ce modèle, une fois greffé à un modèle de transistor GaN déjà existant, est validé par comparaison avec des mesures en régime grand signal. La deuxième partie de cette thèse traite la conception d’une architecture d’amplificateur reconfigurable en fréquence et en puissance pour une application E/R aéroportée. Un démonstrateur a été réalisé avec des transistors GaN sur circuit imprimé à 10 GHz. Les mesures grand signal de cet amplificateur ont démontré la reconfigurabilité de l’architecture d’amplificateur équilibré à charge modulée (LMBA). Par ailleurs, deux amplificateurs de puissance GaN ont été conçus pour servir de briques de base à une version intégrée (MMIC) de l’architecture bi-mode : un forte puissance bande X (employant un combineur de puissance innovant) et un moyenne puissance bande C à X.

GaN based High Electron Mobility Transistors (HEMT) present outstanding performances for microwave power amplification with respect to their silicon-based counterparts. However, this technology still suffers from low frequency memory effects originated from defaults in the structure, the so-called trapping effects. First part of this thesis aims to characterize and model the trapping effects. It has been shown that the slow-rate trapping effects could be separated from the fast-rate ones, by carrying specific pulsed I-V measurements. Consequently, a new, physic based, electrical model has been developed in order to take into account the slow traps. This model, added into an already existing GaN CAD model, has been validated through large signal measurements. Secondly, the thesis goal is to design a reconfigurable power amplifier architecture between a high power X band mode and a medium power C to X band mode for airborne T/R modules. A 10 GHz, encapsulated GaN transistors based PCB demonstrator has been realized in order to demonstrate both the power and the frequency bandwidth reconfigurability of the Load Modulated Balanced Amplifier (LMBA) architecture. Moreover, two GaN integrated power amplifiers have been designed in order to be reused in a full MMIC version of the architecture.