Thèse en cours

Etude d'une architecture innovante faibles pertes d'un combineur de puissance large bande 2-18GHz d'une puissance d'au moins 100W
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Auteur / Autrice : Théo Spillebout
Direction : Eric Bergeault
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Information, communications, électronique
Date : Inscription en doctorat le 09/03/2020
Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
Equipe de recherche : RFM² : Radio-Fréquences et Microondes

Résumé

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Résumé de la thèse : Les amplificateurs élémentaires à base de transistors de type HEMP GaN génèrent une puissance de sortie faibles (quelques Watts). Cette puissance n'est pas suffisante pour couvrir les besoins de puissance nécessaire pour l'émetteur (100W). Il faut donc additionner les modules élémentaires pour obtenir la puissance globale désirée. Les Watts chèrement gagnés au niveau des transistors au prix de watts consommés sur les alimentations ne doivent pas être perdus en chaleur dans la recombinaison du signal en sortie des étages d'amplification. Il est donc essentiel que la structure de recombinaison génère peu de pertes. La thèse consistera à concevoir et réaliser une architecture de combineur de puissance permettant d'assurer la recombinaison en phase et en amplitude de plusieurs amplificateurs de puissance (4 à 8). Les pertes d'insertion devront être maitrisées et ne pas dépasser 1dB. Mais il faudra aussi que cette recombinaison puisse se faire dans une bande de fréquence très large 2 GHz à 18 GHz. Le volume et la tenue en puissance seront aussi des critères à prendre en compte dans la conception. Les moyens de réalisation telle que l'impression additive seront pris en considération dès le début de la conception. Objectifs : Obtention d'une fonction combinaison de puissance de 4 à 8 modules d'amplificateurs GaN permettant d'obtenir une puissance moyenne en sortie de 100W dans la bande de fréquence de 2-18GHz. Etat de l'art : L'état de l'art actuel montre peu de réalisation concrète. Beaucoup d'articles présentent des résultats de simulation [Ref 3 et 4] ou des réalisations partielles [ref 5 et 6] Seule la société Qorvo qui travaille sur ce sujet depuis des années avec la gamme SPATIUM montre des réalisations concrètes commercialisables [Ref 1]. La these [Ref 2] présente une description exhaustive de toutes les techniques de recombinaison utilisables (en arbre, spatial…) Innovation : L'innovation technique principale recherchée dans cette thèse est la largeur de bande de fréquence et le niveau de puissance mis en jeu. L'état de l'art actuel de la bande passante atteignable pour ce type d'amplificateurs est limité à l'octave. La structure recherchée devra couvrir plus de 3 octaves. Mais il faudra aussi que les solutions puissent aboutir à un produit industrialisable dans un délai de 2 à 3 ans après la thèse. Pour cela dès le début de la thèse les considérations de faisabilité thermique et mécanique seront prises en compte. Description complète du sujet de thèse : La thèse débutera par une recherche bibliographique des architectures d'amplification et de combinaison (stripline, waveguide, spatiale …) et des techniques de réalisation conventionnelle ou par impression 3D. Elle sera suivie d'une conception théorique consolidée par les simulations électromagnétique, mécanique et thermique (HFSS, AWR …). Cette conception devra faire en sorte d'optimiser tous les paramètres tels que : -la puissance de la puce élémentaire en fonction de son rendement et de la bande de fréquence à couvrir, -Les architectures de combinaison, planaire, Stripline, waveguide, spatiale … -les adaptations d'impédances entre les combineurs et les amplificateurs, -la diminution des pertes d'insertion à tous les niveaux du système, -la suppression des résonances et couplages parasites, -la stabilité du système, -l'optimisation de la mécanique et la gestion de la thermique, -La gestion des différents modes de propagation, -la faisabilité de réalisation Des maquettes seront réalisées dans toutes les phases de conception afin de confronter les mesures expérimentales avec les simulations. Des rétro-simulations seront faites pour réajuster les modèles théoriques si nécessaire. Enfin un démonstrateur représentatif (puissance, bande de fréquence et volume) sera réalisé, mis au point, testé et validé. Planning de la thèse Phase 1 T0 à T0+6M : recherche bibliographique Phase 2 T0+3M à T0+12M : Conception théorique sur l'architecture choisie Phase 2 T0+9M à T0+18M : Simulation Electromagnétique et thermo mécanique Phase 2 T0+12M à T0+18M : réalisation et mesures de maquettes élémentaires Phase 2 T0+18M à T0+24M : Rétro simulation globale. Publications et début de rédaction de la thèse Phase 2 T0+ 18M à T0+36M : réalisation, mise au point et test du démonstrateur. Publications et soutenance de thèse Compétences à l'issue de la thèse : Conception de circuits Hyperfréquence de puissance - Maitrise des outils de simulation électromagnétique. Maitrise des outils de caractérisation expérimentale