THESE

THESE Pre´sente´e a` L’UNIVERSITE DE POITIERS Pour l’obtention du grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS ECOLE SUPERIEURE D’INGENIEURS DE POITIERS ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES POUR L’INGENIEUR Diploˆme National - Arreˆte´ du 30 mars 1992 SPECIALITE : Electronique, Micro´electronique et Nano´electronique. Pre´sente´e par S´ebastien DARDENNE Am´elioration de la lin´earit´e des amplificateurs de puissance par injection de composantes basses fr´equences et d’intermodulation, pour des applications de radiocommunications mobiles Directeurs de The`se :Rachid Allam Co-encadrement :Claude Duvanaud Pr´esent´ee et soutenue publiquement le 05 juillet 2005 COMPOSITION DU JURY Rapporteurs : Yide WANG Professeur `a l’Universit´e de Nantes Christophe GAQUIERE Professeur `a l’Universit´e de Lille Examinateurs : Michel CAMPOVECCHIO Professeur `a l’Universit´e de Limoges Rachid ALLAM Maˆıtre de Conf´erence HDR `a l’Universit´e de Poitiers Claude DUVANAUD Maˆıtre de Conf´erence HDR `a l’Universit´e de Poitiers Francis HUIN Docteur Ing´enieur ACCO S.A. Invit´e : Denis MASLIAH Directeur g´en´eral de la soci´et´e ACCO S.A. Th`ese pr´epar´ee au sein du Laboratoire d’Automatique et d’Informatique Industrielle de Poitiers dans le cadre d’une convention CIFRE avec la socie´te´ ACCO de Saint Germain en LayeiiiRemerciements Ce travail a été réalisé en collaboration avec le Laboratoire d’Automatique et d’Informatique Industrielle de l’Université de Poitiers, sur le site de l’I.U.T. d’Angoulême. Je tiens donc à re- mercier Monsieur le professeur Lucien DASCALESCU de m’avoir accueilli au sein du labora- toire sur l’antenne d’Angoulême et Monsieur Denis MASLIAH, fondateur et directeur général de la société ACCO, pour m’avoir fait confiance et pour son soutien. Je tiens à remercier Monsieur Rachid ALLAM, Maître de conférence à l’université de Poi- tiers, pour avoir accepté d’encadrer ma thèse. Je remercie particulièrement Monsieur Claude DUVANAUD, Maître de conférence à l’IUT d’Angoulême et co-directeur de cette thèse, pour sa disponibilité, ses compétences techniques dont il a su me faire bénéficier et particulièrement pour ses qualités humaines. Je remercie également Monsieur Yide WANG, Professeur à l’université de Nantes, et Mon- sieur Christophe GAQUIERE, Professeur à l’Université de Lille, d’avoir accepté de juger ce travail en qualité de rapporteurs. J’adresse mes remerciements à messieurs Michel CAMPOVECCHIO, Professeur à l’Uni- versité de Limoges, Francis HUIN, Docteur Ingénieur et Denis MASLIAH, Directeur général de la société ACCO S.A., d’avoir examiné ce mémoire et pour avoir accepté de participer à ce jury. J’exprime ma gratitude envers tous les membres de l’équipe de recherche de l’I.U.T. d’An- goulême, notamment Jean-Marie PAILLOT, Smaïl BACHIR et les doctorants, pour leur accueil, leur soutien pendant toute la période où je suis resté au laboratoire ainsi qu’au personnel du département G.E.I.I. de l’I.U.T. pour leur aide et leur bonne humeur. Enfin, mes pensées se tournent vers ma famille qui n’a cessé de me soutenir pendant toute la durée de cette thèse. iiiivà Claude et Louisette, Nicolas, Nora et Maëlle. vviTable des matières Introduction générale 1 Chapitre 1 Linéarité des transistors et des amplificateurs. 5 1.1 Comportement non linéaire des amplificateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.1 Présentation des transistors pour l’amplification de puissance hautes fréquences (et de leurs modèles) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.1.1 Les transistors bipolaires à hétérojonction (TBH) . . . . . . . 9 1.1.1.2 Les transistors à effet de champ (TEC) . . . . . . . . . . . . 10 1.1.2 Conversions AM/AM et AM/PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.3 Conversions AM/AM : Effet sur les composantes harmoniques et d’in- termodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.4 Conversions AM/PM : Effet sur les composantes d’intermodulation . . 17 1.1.5 Grandeurs caractéristiques du comportement non linéaire des amplifi- cateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.1.5.1 Rapport C/I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.1.5.2 Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) . . . . . . . . . . . . 22 1.1.5.3 Noise Power Ratio (NPR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.1.5.4 Error Vector Measurement (EVM) . . . . . . . . . . . . . . 23 1.1.6 Les effets dispersifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.1.6.1 Mise en évidence des effets mémoires . . . . . . . . . . . . 25 1.1.6.2 Les effets mémoires haute fréquence . . . . . . . . . . . . . 29 1.1.6.3 Les effets mémoires basse fréquence . . . . . . . . . . . . . 29 1.2 Techniques de linéarisation et d’amélioration du rendement . . . . . . . . . . . 31 1.2.1 Utilisation en classe A/AB et "Back-off" en puissance . . . . . . . . . 32 1.2.2 Systèmes à Contre-Réaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.2.2.1 Contre-Réaction Haute Fréquence . . . . . . . . . . . . . . 33 viiTable des matières 1.2.2.2 Contre-Réaction de la composante harmonique 2 . . . . . . . 34 1.2.2.3 La boucle "cartésienne" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.2.2.4 La boucle polaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.2.3 Prédistorsion HF/FI et en bande de base . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.2.3.1 Prédistorsion HF avec des diodes en série . . . . . . . . . . . 40 1.2.4 Systèmes de type Feedforward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 1.2.4.1 Approche classique du Feedforward . . . . . . . . . . . . . 41 1.2.4.2 Autre synoptique pour l’application de la technique de Feed- forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 1.2.5 Techniques à haut rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1.2.5.1 La classe de fonctionnement F . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1.2.5.2 Polarisation dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 1.2.5.3 Élimination de l’enveloppe et Restauration (EER) . . . . . . 48 1.2.5.4 LINC / CALLUM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 1.2.5.5 Doherty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 1.2.6 Conclusion sur les techniques de linéarisation et d’amélioration du ren- dement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Chapitre 2 Injection de composantes aux fréquences basses et harmoniques. 59 2.1 Présentation du modèle du transistor et de l’amplificateur . . . . . . . . . . . . 62 2.1.1 Modèle non linéaire "petit signal" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.1.1.1 Approximation du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.1.1.2 Forme des dérivées partielles . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.1.2 Modèle et amplificateur décrits pour les simulations "grand signal" . . 66 2.2 Injection de composantes fréquentielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.2.1 Injection sur l’entrée de composantes à la fréquence harmonique 2 . . . 67 2.2.1.1 Étude théorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.2.1.2 Réalisation pratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.2.2 Injection sur la grille d’une composante basse fréquence . . . . . . . . 71 2.2.2.1 Étude théorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.2.2.2 Simulations non linéaires des courants d’intermodulation . . 72 2.2.2.3 Réalisation pratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.2.2.4 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.2.3 Injection sur la grille des composantes basses fréquences et harmonique 2 85 2.2.3.1 Étude théorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 viii