Analysis and Design of Load Modulated Balanced Power Amplifiers

Analyse et conception d'amplificateurs de puissance équilibrés à charge modulée La demande croissante de débits élevés et de capacité réseau dans les systèmes de cinquième génération (5G) nécessite l'utilisation de signaux modulés complexes. Ces signaux présentent des rapports crête-moyenne de puissance élevés (PAPR) et nécessitent un fort recul par rapport à la puissance saturée pour atteindre la linéarité requise du système. Pour transmettre de tels signaux modulés avec une consommation d'énergie réduite, l'amplificateur de puissance (PA) dans un système de transceiver doit atteindre une haute efficacité sur des niveaux de puissance de recul importants. Cependant, ce niveau d'efficacité est inatteignable avec les architectures PA classiques (Classe A/AB/C...). Les LMPA tels que le Doherty PA, l’amplificateur équilibré modulé par la charge (LMBA), les amplificateurs modulés par la charge basés sur un circulateur (CLMA) et les Outphasing PAs se sont révélés être des solutions prometteuses pour offrir une meilleure efficacité sur des plages de puissances avec recul élevé. Ces architectures sont composées de plusieurs dispositifs actifs qui ajustent dynamiquement leur impédance en fonction d'injections de puissance simultanées. En conséquence, les LMPA sont bien adaptés aux systèmes 5G où existent des signaux avec des PAPR élevés. De plus, les transceivers 5G doivent fonctionner sur plusieurs bandes de fréquences, ce qui augmente la complexité de la gestion du compromis entre efficacité et bande passante dans les LMPA 5G.Cette thèse commence par une analyse analytique approfondie et une comparaison de quatre grandes catégories d'architectures LMPA. La première catégorie se concentre sur l’amplificateur Doherty à 2 voies, la deuxième sur le Doherty à 3 voies, la troisième sur les CLMA et la quatrième sur le LMBA. Pour les amplificateurs Doherty à 2 et 3 voies, l'analyse commence par réexaminer les combiners bien connus, en particulier les combiners basés sur des lignes de transmission. Contrairement aux travaux précédents, notre analyse a démontré que l’impédance caractéristique de ces lignes de transmission peut être librement choisie par le concepteur pour tout rapport puissance de crête-puissance de recul (PBPR) et toute tension d'alimentation, créant ainsi un espace de conception plus généralisé pour les amplificateurs Doherty modulés par la charge. La même méthodologie a été utilisée dans l'analyse de toutes les architectures mentionnées, où nous comparons les plages de recul et fournissons un résumé des paramètres métriques nécessaires à la conception de chacune. Avoir toutes ces informations rassemblées en un seul endroit facilite non seulement la comparaison des différentes architectures, mais améliore également l'accessibilité et l'utilisation pour les concepteurs.Suite à cette analyse, la thèse présente une nouvelle méthodologie pour la conception d'un amplificateur équilibré modulé par la charge séquentiel à large bande et à entrée unique (S-LMBA), une variante dérivée du LMBA. Cette approche a été validée expérimentalement à travers un prototype de preuve de concept sur PCB en utilisant des transistors commerciaux. De plus, cette méthodologie a été appliquée pour concevoir un S-LMBA dans la bande Ka de la 5G-FR2 (24-28 GHz) sur la technologie HEMT en GaN/SiC de 150 nm. Enfin, cette thèse introduit le concept d'isolation active dans un réseau passif à 4 ports. Elle dérive les relations de courant nécessaires aux ports d'entrée d'un réseau passif à 4 ports généralisé pour obtenir un port isolé, similaire à l'architecture LMBA conventionnelle où le dispositif auxiliaire ne subit aucune modulation de charge. Elle démontre que les combiners existant dans la littérature précédente sur l'architecture LMBA sont des cas spécifiques dans un réseau passif à 4 ports généralisé. Cela facilite non seulement le développement de LMBAs plus compacts, mais ouvre également la voie à l'exploration de l'analyse de bande passante et de l'extension des plages de puissance de recul au sein de ces architectures.