Évaluation de topologies d'amplificateurs faible bruit et robustes en filière GaN pour applications radar ou télécom en bande X

Evaluation of low noise and robust amplifier topologies using GaN technology for X-band radar or telecom applications

• Auteur / Autrice : Bastien Pinault
• Direction : Jean-Guy Tartarin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 27/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Carole Rossi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Danneville, Thierry Taris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications -- Matériaux

Nitrure de gallium

Amplificateurs faible bruit

Mots clés libres

Amplificateur faible bruit

Radar

GaN

Robustesse

Stress RF et thermique

Low noise amplifier

Radar

GaN

Robustness

RF stress and thermic cycling

Résumé

Dans l'optique d'accroitre les débits des télécommunications ainsi que la précision et la portée de détection des systèmes radars modernes, l'amélioration du facteur de bruit d'une liaison est devenue essentielle. Comme le démontre la formule de FRIIS , le facteur de bruit d'une architecture de réception est majoritairement déterminé par le facteur de bruit du premier étage. Il apparait alors nécessaire de placer en amont de cette dernière un amplificateur faible bruit (LNA). Ce dernier peut être confronté à des agressions électromagnétiques (EM) pouvant détériorer, voir rendre inopérant le système, en fonction de l'application visée. Il est donc nécessaire de concevoir des LNA robustes vis-à-vis de ces agressions EM. Par leurs caractéristiques intrinsèques (large bande interdite, tension de claquage élevée et bonne conductivité thermique...) les technologies nitrure de gallium (GaN) sont d'excellentes candidates pour l'implémentation d'amplificateur faible bruit. En effet, la robustesse naturelle offerte par ce matériau permet de s'affranchir des dispositifs de protection tels que les limiteurs de puissance utilisés en technologie GaAs ou SiGe. Les contraintes des systèmes modernes poussent ces derniers à maintenir leurs caractéristiques même lorsqu'ils sont soumis à des agressions EM. Les topologies d'amplificateurs faible bruit doivent donc pouvoir répondre au double objectif de forte détectivité (faible facteur de bruit HF) et de grande linéarité (forte puissance) aux fréquences d'utilisation. Afin d'augmenter la linéarité d'un LNA, une stratégie consiste à surdimensionner le transistor (dimensions physiques ou électriques plus importantes que celles nécessaires pour un facteur de bruit optimal). Les performances non linéaires se trouvent alors améliorées au détriment des paramètres de bruits et/ou petits signaux. Cette thèse propose une nouvelle approche permettant d'exploiter simultanément les caractéristiques non linéaires d'une conception de LNA initialement optimisée sur les paramètres de bruit en améliorant le comportement non-linéaire de l'élément actif via un changement de son point de repos. Cette stratégie oblige à des études plus poussées sur la stabilité de tels systèmes, et des chemins critiques de repolarisation, toujours délicats à appréhender pour les technologies nitrures. Une étude comparative ainsi qu'un état de l'art plus global permet de situer notre solution dans le spectre des possibilités offertes dans l'optique d'obtenir un système faible bruit et robuste. Des tests dynamiques et en bruit HF avant et après contraintes sous signal RF par créneau vient appuyer l'approche proposée.

In order to increase telecommunication data rates and enhance the precision and range of modern radar systems, improving the noise factor of a communication link has become crucial. As demonstrated by the FRIIS formula, the noise factor of a reception architecture is mainly determined by the noise factor of the first stage. It is, therefore, necessary to place a low-noise amplifier (LNA) upstream of the first stage. LNAs may face electromagnetic (EM) aggressions that can degrade or even render the system inoperative, depending on the intended application. Hence, it is essential to design LNAs that are robust against these EM aggressions. Due to their intrinsic characteristics (wide bandgap, high breakdown voltage, and good thermal conductivity), gallium nitride (GaN) technologies are excellent candidates for implementing low-noise amplifiers. The natural robustness offered by this material allows for the elimination of protection devices such as power limiters used in GaAs or SiGe technologies. Modern system constraints compel them to maintain their characteristics even when subjected to EM aggressions. Low-noise amplifier topologies must, therefore, meet the dual objective of high detectivity (low HF noise factor) and high linearity (high power) at usage frequencies. To increase the linearity of an LNA, one strategy involves oversizing the transistor (physical or electrical dimensions larger than those necessary for optimal noise factor). This approach improves nonlinear performance at the expense of noise parameters and/or small signals. This thesis proposes a novel approach that simultaneously exploits the nonlinear characteristics of an LNA design initially optimized for noise parameters by enhancing the nonlinear behavior of the active element through a change in its operating point. A comparative study and a broader state-of-the-art analysis position our solution within the spectrum of possibilities for achieving a low-noise and robust system.