Design of millimeter-wave power amplifiers based on GaN technologies for radio communication applications

Conception d'amplificateurs de puissance technologie Nitrure de Gallium aux fréquences millimétriques pour applications de radiocommunication Cette thèse présente la conception d’amplificateurs de puissance (AP) à haut rendement aux longueurs d’ondes millimétriques. Ces amplificateurs destinés aux systèmes de communication par satellite 5G FR2 et bande Ka requièrent des émetteurs compacts, à large bande et à faible consommation énergétique. Ces systèmes utilisent des signaux modulés à PAPR élevé, ce qui fait du rendement sur une large plage de recul en puissance (OBO) un critère de performance essentiel. Ces travaux sont menés dans le cadre du programme IPCEI SMART3 qui vise à développer les futurs réseaux électroniques RF intégrés dans des boîtiers hétérogènes de nouvelle génération. La technologie GaN/SiC (nitrure de gallium sur carbure de silicium) a été choisie pour sa tension de claquage élevée, sa densité de puissance et sa robustesse thermique, la rendant particulièrement adaptée aux applications d’antennes à réseau phasé en ondes millimétriques. Les classes d’AP conventionnelles subissent une dégradation significative de leur rendement à fort recul de puissance, ce qui justifie l’adoption d’architectures à modulation de charge, telles que l’AP Doherty, aux fréquences millimétriques. Cependant, les pertes parasites, le gain réduit et les pertes passives complexifient la mise en œuvre de l’architecture Doherty en bande Ka. Cette thèse présente une méthodologie de conception combinant l’analyse intrinsèque des dispositifs, la modulation de charge dynamique (DLMC), la cosimulation électromagnétique complète, ainsi que des mesures de signaux RF pulsés, continus et modulés. Un amplificateur de puissance (AP) en classe AB et un AP Doherty bidirectionnel compact ont été fabriqués avec la technologie GaN GH15 d’UMS. Les mesures montrent une puissance de sortie de 37 dBm, un gain en puissance de 18 à 20,8 dB et un rendement en puissance ajoutée (PAE) maximal de 31 à 36 % pour l’amplificateur en classe AB. L’AP Doherty présente des performances mesurées en PAE de 24 à 31 % pour un recul de 6 dB sur la bande 28–32 GHz. Il valide ainsi la méthode de la conception, en bande Ka, d’AP GaN à modulation de charge, très large bande RF et à très faible encombrement.