Architecture robuste avec ajustement de fréquence centrale et détection de phase et de tension pour des amplificateurs autonomes de puissance à base de coupleur hybride aux fréquences millimétriques.

Abstract

Les communications basées sur le principe du beamforming imposent de concevoirdes systèmes complexes utilisant un grand nombre de frontaux radiofréquences (RF). Pour le bon fonctionnement du système, chaque élément doit pouvoir être dans sa zone optimale de travail, ce qui doit être aussi le cas pour l’amplificateur de puissance (PA) dont la linéarité et la puissance dépendent de l’adaptation de sortie. L’impédance de charge de l’amplificateur, qui correspond à un des éléments rayonnants du réseau d’antennes, peut subir des variations en fonction de son environnement (TOS) et détériorer les performances globales du système. Au final, le signal distribué sur chaque antenne pour former le faisceau global doit être contrôlé et maîtrisé en phase et en amplitude pour garantir une bonne communication.Les travaux de thèse se situent dans ce contexte et portent sur la recherche denouvelles topologies, ainsi que l’élaboration de blocs élémentaires, pour créer une nouvelle architecture d’amplificateur de puissance robuste à son environnement. L'un des principaux défis est le contrôle de la phase du PA et le maintien de ses performances RF en fonction des variations du processus de fabrication (PVT). Un autre défi consiste à réaliser un PA à haute efficacité, tout en maintenant une très bonne linéarité, ce qui constitue une rupture vis-à-vis du traditionnel compromis à trouver entre le haut rendement et la grande linéarité. Dans de telles conditions, le contrôle de phase du PA constitue un avantage majeur.Une première étape de ses travaux a consisté à proposer une approche globale de laconception du PA dans son environnement et ainsi quantifier l’impact des variations de l’impédance de charge du PA sur ses performances RF (gain, déphasage) en présence d’un réseau d’antennes. Une fois les points sensibles identifiés, plusieurs architectures de PA ont été envisagées pour adresser le ou les problèmes.Une première solution avec un PA autonome a permis d’améliorer la protection vis-àvis des variations de TOS d’antenne. Plusieurs topologies de PA dérivées de cette solution ont ensuite permis d’adresser les nouvelles problématiques de contrôle de la phase et de l’ajustement de la fréquence de fonctionnement. Ces architectures de PA intégrant les nouveaux concepts développés au cours de la thèse ont été implémentées dans les technologies 130nm SiGe et 65nm CMOS-SOI de STMicroelectronics. Les résultats de mesure ont permis de valider l’architecture du PA autonome avec l’ajustement de la fréquence de fonctionnement et la détection de phase et de tension.Cette approche de conception ne se limite pas aux communications 5G et peut êtrefacilement étendue à d'autres fréquences et pour d’autres applications telles que les télécommunications par satellites (SATCOM). Elle n’est pas dépendante du choix de la technologie silicium et peut être utilisée pour d’autres circuits RF tels que les amplificateurs faible bruit.