1. AMÉLIORATION DE LA LINÉARITÉ ET DU RENDEMENT
ÉNERGÉTIQUE DES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE DE
TOPOLOGIE À DEUX BRANCHES POUR LES COMMUNICATIONS
SANS FIL ; CAS D’UN AMPLIFICATEUR LINC
Présenté par : Mohamad El-Asmar
El-
Doctorat en génie électrique
Jury
M. Ammar Kouki directeur de la thèse
M. Eric David président du jury
M. François Gagnon membre
M. Fadhel Ghannouchi membre externe
M. Denidni Tayeb membre externe indépendant

2. PLAN
INTRODUCTION
LES AMPLIFICATEURS À SIMPLE BRANCHE
TECHNIQUES D’AMÉLIORATION DES PERFORMANCES
LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC
MODÈLE SIMPLIFIÉ DU COMBINEUR CHIREIX AVEC STUBS
ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR CHIREIX SANS STUBS
L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX
CONCLUSION
CONTRIBUTION
2

3. INTRODUCTION
• Les systèmes de communication 2G utilisent souvent 2G
la modulation à enveloppe constante; 0
-10
FM, PM, GSM, TDMA, DCS
FwdSpec
-20
-30
Faible efficacité spectrale -40
-50
1997.5
1998.0
1998.5
1999.0
1999.5
2000.0
2000.5
2001.0
2001.5
2002.0
2002.5
Mega_Hertz
• Augmenter l’efficacité spectrale
3G
systèmes de communication moderne 3G 20
utilisent l’enveloppe et la phase du signal 0
-20
FwdSpec
-40
UMTS, CDMA, MQAM, OFDM -60
-80
-100
1997.5
1998.0
1998.5
1999.0
1999.5
2000.0
2000.5
2001.0
2001.5
2002.0
2002.5
Mega_Hertz
3

4. INTRODUCTION
Problematique
• Le système 3G présente un signal à enveloppe variable ayant
un PTAR qui croit avec le nombre de porteuses transmises.
• Besoin d’amplifier ce signal linéairement avec une efficacité
énergétique acceptable.
• Le PA traditionnel doit être opérer dans sa région linéaire.
Faible efficacité énergétique.
PTAR
Remède
1- Réaliser un compromis entre linéarité et efficacité.
PA simple branche
2- Utilisation des techniques d’amélioration de la linéarité
et de l’efficacité énergétique.
4

5. LES AMPLIFICATEURS À SIMPLE BRANCHE
Pout η
P1dB Classes A, AB, B Linéaires mais pas efficaces
ηmax Efficaces mais pas linéaires
Classes C, F, E, D
DC
Pout
ηmoy η=
PDC
IPBO Pin
Pmoy
Efficacité Temps de parole
PTAR IPBO
Linéarité
• Un compromis peut améliorer l’efficacité énergétique
mais sur le coût de la linéarité.
5

6. TECHNIQUES D’AMÉLIORATION DES PERFORMANCES
Techniques de linéarisation Predistortion feedback feedforward
LINC
Techniques d’efficacité Class F Doherty EE&R
Notre choix
• Le système LINC a été choisit pour notre étude
• LINC améliore en effet l’efficacité et la linéarité en même temps
Problématique
• Les travaux rencontrés dans la littérature ne sont pas suffisamment matures
• Besoin d’une étude approfondie du système LINC
6

7. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC
Analytiquement:
S1(θ)
G
r ( t ) = rmax cos (θ ( t ) )
GS1(θ)
S (t ) = r (t ) e j (ωt +ϕ ( t ))
S(t)
Separateur
du signal GKS(t)
+
DSP
r GS2(θ)
S2 ( −θ ) = max e (
r j ωt +ϕ ( t ) −θ ( t ) )
S1 (θ ) = max e (
j ωt +ϕ ( t ) +θ ( t ) ) S2(-θ)
G
2 2
Sout (t ) = GK ( S1 (t ) + S2 (t ) ) Sout (t ) = GKrmax cos(θ (t )e j (ωt +ϕ ( t )) = GKS (t )
Vectoriellement:
θ (t )
θ θ θ θ θ
L’enveloppe est maximum avec θ = 0 et minimum avec θ = 90 deg
7

8. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC
Combineur
adapté
Wilkinson
V1 Vo1
G 1
Combineur 3
V2 Vo2
G 2
1
Partie analogique du LINC
3
Combineur
2
Chireix
8

9. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC
LINC avec combineur adapté: (Hybride ou Wilkinson)
rmax jθ V1
V1 = e G
Vo1
1
2 Po1 Vout (t ) = GVin (t )
Combineur 2
Wilkinson
r Pout Linéaire
V2 = max e− jθ V2
G
Vo2
2 Po2
Pout
ηComb = = cos 2 θ 1.0
Po1 + Po 2 0.8
η Com b 0.6
Efficacité 100% avec θ=0 deg
0.4
0.2
0% avec θ 90 deg 0.0
0 20 40 60 80 100
θ
9

10. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC
LINC avec combineur adapté: (Hybride ou Wilkinson)
Efficacité moyenne
η = ∑ P(θi ).ηComb (θi ) η = ∑ P(θi ).cos θi
2
m m
i =1 i =1
Application SR = 150 KHz avec α = 0.35
Modulation QPSK 16QAM 64QAM OFDM/16QAM
PTAR/dB 3.75 6.43 6.82 11.75
Efficacité moyenne 0.45 0.25 0.24 0.084
• L’efficacité moyenne se dégrade rapidement avec l’augmentation du PTAR
• Considérer des combineurs sans pertes pour améliorer l’efficacité: combineur Chireix
10

11. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC AVEC
COMBINEUR CHIREIX
Combineur Chireix
Modèles proposés dans la littérature
• modèles ne tenant pas compte de la réflexion du combineur sur PA
- Modèle Cripps, Stengel, Raab, équipe de NOKIA
• modèle tenant compte du phénomène de réflexion
- Modèle Birafane
11

12. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC AVEC
COMBINEUR CHIREIX
Modèle de Birafane: (LACIME)
Vo1 = G.V1 (θ ).[1 + Γ1 ] = Vo1 e jθ ' Vo 2 = G.V2 (−θ ).[1 + Γ 2 ] = Vo 2 e− jθ '
Z c2
Z1,2 =

Z o  2 cos 2 θ '+
 Z2 
j  ± B c ∓ sin 2θ '  
θ ' = θ + phase(1 + Γ)
 Zo 
  
Combineur Chireix
8. y 2 .cos 2 θ '
η (θ ') = Vo = y.Grmax . 1 + Γ1 .cos θ '
(1 + 2. y 2 .cos 2 θ ') 2 + ( B.Z o − y 2 .sin 2θ ') 2
B.Z o .tgθ + 1 Zo
cos θ ' = avec y=
( B.Z o .tgθ + 1) 2 + (tgθ + 2 y 2 .tgθ − B.Z o ) 2 Zc
12

13. LE SYSTÈME D’AMPLIFICATION LINC AVEC
COMBINEUR CHIREIX
Modèle de Birafane: (LACIME)
• Rigoureux et réaliste dans la description du phénomène de réflexion.
• Les équations de ce modèle sont complexes et pas faciles à utiliser.
• Il considère l’amplificateur comme une source de tension en série
avec une impédance 50Ω.
Notre objectif
• Étudier et simplifier les équations de ce modèle.
• Étude des différentes configurations du combineur Chireix
dans le but d’améliorer les performances du système.
• Étudier le comportement de l’amplificateur RF vis-à-vis de
la variation de la charge du combineur.
• Validation de notre étude par simulation ADS
• Design et validation expérimentale du système Chireix.
13

14. MODÈLE SIMPLIFIÉ DU COMBINEUR
CHIREIX AVEC STUBS
Analyse
8. y 2 .cos 2 θ ' B.Z o .tgθ + 1
Modèle du Birafane η (θ ') = cos θ ' =
(1 + 2. y 2 .cos 2 θ ') 2 + ( B.Z o − y 2 .sin 2θ ')2 ( B.Z o .tgθ + 1) 2 + (tgθ + 2 y 2 .tgθ − B.Z o ) 2
En remplaçant la susceptance B en Siemens par sa longueur électrique γ en degré γ = arctg ( BZ o )
1. Le max de η se produit avec θ=γ .
Observation 2. Le max de η varie avec γ .
3. η est maximisée en optimisant γ
Équation empirique η (θ ) = K ( z c , γ ). cos 2 (θ − γ )
14

15. MODÈLE SIMPLIFIÉ DU COMBINEUR
CHIREIX AVEC STUBS
Modèle complexe Modèle simplfié
8. y 2 .cos 2 θ ' 8 y 2 cos 2 γ
η (θ ') = η= cos 2 (θ − γ )
(1 + 2. y 2 .cos 2 θ ') 2 + ( BZ o − y 2 .sin 2θ ') 2 (1 + 2 y 2 cos 2 γ ) 2
2 y.cos γ
Vo = y.Grmax . 1 + Γ1 .cos θ ' Vo = G.rmax cos(θ − γ )
1 + 2 y 2 cos 2 γ
rmax .G.cos γ
Vo1,2 = Vo1 e jθ ' = G
rmax
2
1 + Γ1 e ± jθ ' Vo1,2 =
1 + 2 y cos γ
2 2 (
cos(θ − γ ) ± j (sin(θ − γ ) + 2 y 2 sin θ cos γ ) )
Outils de simplification Conclusion
• Concevoir le combineur avec exactitude
B.Z o .tgθ + 1
cos θ ' = 8 zc2 cos 2 γ
( B.Z o .tgθ + 1) + (tgθ + 2 y .tgθ − B.Z o )
2 2 2 η θ =γ = 100% K= =1
( zc2 + 2 cos 2 γ )2
Z − Zo Z c2 zc = 2 cos γ
Γ1 = 1 Z1 = K =1
Z1 + Z o   Z c2 
Z o  2 cos θ '+ j  B
2
− sin 2θ '  
  • La non linéarité est directement visible
  Zo 
• Le stub est la source de non linéarité
15

16. MODÈLE SIMPLIFIÉ DU COMBINEUR
CHIREIX AVEC STUBS
Impact du stub sur la linéarité
Avec simulation ADS Avec réalisation expérimentale
(modèle simplifié)
16QAM
Ce modèle peut être très utile dans la conception de combineurs Chireix avec
compromis d’efficacité – linéarité.
16

17. ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR
CHIREIX SANS STUBS
Impédances d’entrée
Z c2
Z1,2 =
  Z2 
Z o  2cos 2 θ '+ j  ± B c ∓ sin 2θ '  
 Zo 
  
B.Z o .tgθ + 1
cos θ ' =
( B.Z o .tgθ + 1) 2 + (tgθ + 2 y 2 .tgθ − B.Z o ) 2
Z c2  2Z 2 
2Z
Avec B=0 Z1,2 = (1 ± jtgθ ') tgθ ' = 1 + 2o  tgθ
Zc 
2Z o 
Z c2  Z2 
Z1,2 = ± j  c + Z o  tgθ
2Z o  2Z o 
Adaptation avec θ =0 Zc = 2 ⋅ Zo
Z1,2 = Z o (1 ± jtgθ )
17

18. ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR
CHIREIX SANS STUBS
Voltages:
rmax jθ rmax − jθ
Vin = rmax cos θ V1 = e V2 = e
2 2
   Z c2 
Z c2 Vo 2 = Grmax  2 cos θ − j sin θ 
Vo1 = Grmax  2 cos θ + j sin θ 
Sans stubs
(
 Z c + 2 Z o2
 ) 
  (
 Z c + 2Z o2 ) 

2Zo Z c 2Z o Z c
Et Vo = ⋅ G ⋅ rmax cos θ Vo = ⋅ G ⋅ Vin
(Z 2
c + 2Z 2
o ) (Z 2
c + 2Z 2
o )
18

19. ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR
CHIREIX SANS STUBS
Voltages :(suite)
En adaptant l’impédance avec θ=0 Zc = 2 ⋅ Zo
Equations sous forme normalisées
1
Vo1 = cos θ + j sin θ
2 1
tgθ ' = 2tgθ Vo = × Vin
1 2
Vo 2 = cos θ − j sin θ
2
Malgré la déformation du signal à l’entrée du combineur le système
Chireix sans stubs montre un bonne linéarité.
19

20. ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR
CHIREIX SANS STUBS
Voltages :(suite)
1 Vo1
Vo1,2 = cos θ ± j sin θ
2
1
V1,2 = ( cos θ ± j sin θ ) θ
2 V1
Angle θ’
Angle θ
θ Vin Vo
V2
Entrée du PA
Vo2
Entrée du combineur
20

21. ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR
CHIREIX SANS STUBS
Po
Efficacité: ηComb =
P + P2
1
2
Po = ( G.K .rmax cos θ ) 2Z o
2
 r 
P = P2 =  G. max 
1 2Z o
 2 
2
2z
2z 8 zc
ηCOMB = 2.K cos θ
2 2
K= 2 c ηComb = .cos2 θ 1.0
(z + 2)
2
zc + 2 2
c 0.8
η Comb 0.6
Avec Zc = 2 ⋅ Zo ηComb = cos 2 θ 0.4
0.2
0.0
0 20 40 60 80 100
θ
Dans ce cas, le combineur Chireix sans stubs qui déforme
la phase et le module des voltages, agit comme un combineur adapté
21

22. ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR
CHIREIX SANS STUBS
Analyse avec PA ayant une impédance Zt quelconque:
Z c2 Z c2
Cripps, Stengel Z1 = (1 + jtgθ ) Z2 = (1 − jtgθ ) PA est une source de tension Zt=0
2Z o 2Z o
Notre analyse Z1 =
Z c2
2Zo
 Z c2
+ j
 2Z o

+ Z t  tgθ

Z2 =
Z c2
2Z o
 Z2 
− j  c + Z t  tgθ
 2Z o 
(
ηCOMB = 1 − Γ p
2
) ⋅ cos θ
2
Γp est le coefficient de réflexion avec θ=0 1.0
0.9 o Circuit
0.8 Zt=Zo Équation
0.7
Zt=0.6Zo
Efficacité
0.6
0.5
0.4
0.3
Zt=0.2Zo
0.2
0.1
0.0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
θ , deg
22

23. Amplificateur avec une impédance complexe
ÉTUDES ANALYTIQUES DU COMBINEUR
CHIREIX SANS STUBS
PA avec impédance complexe Zt=Rt+jXt
Z c2  Z2  Z c2  Z2 
Combineur Z1 = + j  c + ( Rt + jX t )  tgθ Z2 = − j  c + ( Rt + jX t )  tgθ
2Z o  2Z o  2Z o  2Z o 
 Z2   Z2   Z2   Z2 
On obtient Z1 =  c − X t tgθ  + j  c + Rt  tgθ Z 2 =  c + X t tgθ  − j  c + Rt  tgθ
 2Z o   2Z o   2Z o   2Z o 
• Deux branches non balancées.
• Risque d’instabilité du système.
Zt=10+j20
Compenser la partie réactive du Zt
23

24. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX
Analyse Z c2  Z2 
• Pour une bonne linéarité, le combineur Chireix est considéré sans stubs Z1 = + j  c + Z t  tgθ
2Zo  2Z o 
• La partie réactive du Zt est compensée Zt=resistive pure
π
• Pour réduire la composante DC, le PA est en classe B η Amp − B =
4
L’adaptation d’impédance avec θ=0 Z1 = Zt (1 + 2 jtgθ )
VDC Z t .Zt (1 + 2 jtgθ ) Zt (1 + 2 jtgθ ) 2.VDC . (1 + jtgθ )
Id 0 = Ztot = = ⋅ Id 0 =
Z tot Z t + Z t (1 + 2 jtgθ ) 2 (1 + jtgθ ) Z t . (1 + 2 jtgθ )
ηC tot =
Po
=
Po
ηC tot =
Po
⋅
(1 + 2 jtgθ )
Avec
PDC I d 0VDC 2.VDC (1 + jtgθ )
2
Zt
Po
ηhtot = 2
Avec un combineur hybride, Z1=Zt=fixe 2VDC
Zt
ηC tot = ηhtot ⋅
(1 + 2 jtgθ )
(1 + jtgθ )
24

25. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX
Analyse: (suite) Avec η htot =
π
⋅ cos 2 θ ηC tot =
π
⋅ cos 2 θ ⋅
(1 + 2 jtgθ )
4 4 (1 + jtgθ )
τ (θ ) =
(1 + 2 jtgθ ) −1
(1 + jtgθ )
25

26. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX
Validation par simulation ADS
• Deux transistors, modèle CGH40010 de la compagnie Cree Inc polarisés en classe B.
• Compensés et adaptés avec un combineur Chireix sans stubs.
• Les drains voient une impédance augmentant en fonction de θ.
Roll-off=0.35
η hybride ηChireix Taux
d’amélioration
4QAM 0.247 0.368 49%
16QAM 0.15 0.21 40%
64QAM 0.128 0.172 34%
26

27. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX
Validation par simulation ADS: (Suite)
Linéarité
Avec classe B non saturé Avec classe B saturé
Vout Vout
cosθ
cosθ
27

28. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX
Validation par simulation ADS: (Suite)
Impédances
Avec partie réactive compensée Avec partie réactive non compensée
28

29. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX
Réalisation et mesures
Générateurs de signaux RF 15dBm max
Besoin d’un driver avec le PA
Driver PH530 de Prewell. 30dBm, 10 dB.
PA MPHA21010 de Motorola. 40dBm, 24dB
2110-2170MHz
29

30. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX
Réalisation et mesures
8 paires de transformateurs d’impédance des longeures entre 0 et λ/2
Choix du paire produisant le maximum de η
Transformateurs d’impédance
30

31. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX
Réalisation et mesures
Courant drain dans chaque branche pour 4 transformateurs
Courant drain vs θ
Courant drain total
λ
16
λ
8
λ
4
5λ
16
31

32. L’AMPLIFICATEUR DANS LE SYSTÈME CHIREIX
Réalisation et mesures
Efficacité et linéarité
5λ
16
λ
λ
4
16
λ
8
32

33. CONCLUSION
Le choix de la bonne architecture de transmetteur RF qui offre à la fois une bonne efficacité
énergétique et une bonne linéarité, est crucial.
L’architecture de transmetteur LINC a été choisie pour être bien investiguée tout au long de ce
travail de thèse.
Le système LINC avec un combineur Chireix sans perte a été étudie.
Le modèle Birafane du combineur Chireix a été analyse puis amélioré et simplifié.
Nous avons montré que le combineur Chireix sans stub est au maximum équivalent à un combineur
adapté.
Nous avons étudié l’impact de l’impédance du PA sur l’efficacité du système Chireix.
L’interaction entre le PA et le combineur chireix et leur effet sur la consommation du courant drain
Id a été analysé et étudié.
Le logiciel ADS est considéré dans la validation théorique de notre travail.
La validation expérimentale de notre travail en utilisant un transistor réel nous a permis de prouver
qu’on peut obtenir un système efficace et linéaire.
33

34. Contribution
Un nouveau modèle simplifie du système Chireix a été développé
Équation simple a utiliser
Tient compte de l’effet de la reflexion de combineur
Amélioration du modèle Birafane en tenant compte de la non
adaptation d’impédance du PA.
Nous avons apporté des nouvelles techniques d’amélioration de
l’efficacité en gardant une bonne linéarité, en ajustant les lignes de
transmission a la sortie des Pas.
Une validation expérimental et par simulation de ce travail de
thèse.
34

35. MERCI
?
35