Brevet FR2524733A1 — publié le 19831007

La présente invention concerne une compensation de linéarité qui est utilisée pour réduire la distorsion dans les amplificateurs L'invention porte plus particulièrement sur les techniques de prédiction dans des amplificateurs à large bande utilisant des types similaires de dispositifs d'amplification. Diverses techniques de compensation de distorsion ont été imaginées pour améliorer les performances d'amplifi- cateurs Parmi elles figurent la prédiction et la réaction. Les techniques de prédiction classiques exigent un double- ment des amplificateurs de puissance, avec chaque amplifica- teur branché dans un chemin de signal, et les deux amplifi- cateurs combinés à la sortie Le doublement des amplifica- teurs gaspille de l'énergie tandis que la perte subie du fait de la combinaison des signaux à la sortie réduit la puissance de sortie effective de l'amplificateur La réac- tion, pour sa part, réduit la distorsion au prix d'une dimi- nution de gain, exigeant souvent des étages d'amplification supplémentaires pour produire la puissance de sortie dési- rée. Dans certaines applications plus que dans d'autres, comm e les répéteurs de satellites, ces pénalités constituent des inconvénients graves Une préoccupation majeure pour l'utilisation dans des satellites consiste à réaliser des circuits de faible encombrement, avec une faible consomma- tion de puissance et un poids minimal Une autre préoccupa- tion consiste en ce que les circuits utilisés dans des satellites fonctionnent de façon caractéristique à des niveaux élevés pour obtenir des niveaux de sortie élevés par rapport à la puissance totale consommée, ce qui tend malheureusement à exacerber l'effet des non linéarités. Du fait de la demande toujours croissante en ce qui concerne la quantité d'information à transmettre, il est hautement souhaitable de disposer d'amplificateurs linéaires ayant des caractéristiques correspondant à une bande passante large A l'heure actuelle, les transpondeurs fonctionnant dans des bandes déterminées dans un répéteur de satellite doivent empêcher l'apparition de distorsion d'inter- modulation ou de brouillage par chemins multiples entre les signaux reçus qui sont amplifiés et renvoyés vers des sta- tions terriennes Une telle technique est coûteuse au point de vue de la perte sur l'utilisation de la largeur de bande, à cause de l'écartement exigé entre les bandes déterminées, et au point de vue du poids des différentes sections dans les filtres démultiplexeurs qui sont utilisés dans cette technique. On connaît une autre technique de linéarisation, appelée compensation par pré-distorsion, dans laquelle on ajoute des composantes de pré-distorsion au signal d'entrée pour produire une combinaison soustractive entre les compo- santes de pré-distorsion et un ordre sélectionné de la dis- torsion introduite par l'amplificateur au cours du processus d'amplification Cependant, les configurations classiques utilisent de façon caractéristique des circuits passifs (c'est-à-dire des circuits à diodes) dans le dispositif de pré-distorsion qui réduit la distorsion en simulant partiel- lement les caractéristiques de distorsion de l'amplificateur actif En fait, une fraction élevée du signal d'entrée est nécessaire pour produire des niveaux de signal suffisants pour faire fonctionner le dispositif de pré-distorsion avant l'amplification, afin de générer un ordre particulier de com- posantes de distorsion Il en résulte que le gain ou le fac- teur d'amplification est réduit pour améliorer les performan- ces pour l'ordre de distorsion sélectionné. Bien que ces inconvénients soient d'une acuité par- ticulière dans les applications relatives aux satellites, un amplificateur résolvant de tels problèmes offre des avanta- ges connexes qui présentent un grand intérêt dans diverses autres applications dans lesquelles une linéarité élevée et une bande passante large sont souhaitables Des applications 2 -24733 caractéristiques peuvent comprendre, par exemple, les systè- mes de faisceaux hertziens et les systèmes d'émission à ban- de latérale unique. D'une manière générale, l'invention prend la forme d'un compensateur à pré-distorsion employant un amplifica- teur de tension pour produire des composantes de distorsion qui sont combinées, selon une relation d'amplitude et de phase appropriée, avec le signal d'entrée d'un amplificateur de puissance, pour linéariser son fonctionnement. Selon certains des aspects supplémentaires de l'invention, on sélectionne l'amplificateur de tension de façon qu'il ait des caractéristiques de retard et de phase entrée-sortie similaires à celles de l'amplificateur de puissance En prenant la différence entre une fraction du signal de sortie et le signal d'entrée de l'amplificateur de tension, on produit des composantes de distorsion pour les ajouter au signal d'entrée de l'amplificateur de puissance afin de réaliser une compensation de linéarité Les deux amplificateurs peuvent prendre la forme, par exemple, d'un tube à ondes progressives ou d'un transistor à effet de champ. Selon certains des aspects supplémentaires de l'invention, on utilise une boucle de réaction facultative pour procurer une réduction supplémentaire de la distorsion produite par de légères variations entre les caractéristi- ques des amplificateurs de tension et de puissance Dans la boucle, la différence entre une fraction du signal de sortie et le signal d'entrée est également ajoutée au signal d'en- trée de l'amplificateur de puissance, pour corriger son fonc- tionnement A cause du retard supplémentaire de la boucle de réaction dans cette variante, les possibilités de fonctionne- ment à large bande sont quelque peu limitées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: ,4733 La figure 1 est un schéma d'un circuit mettant en oeuvre la technique de compensation par prédiction de l'in- vention; et La figure 2 est également un schéma d'un circuit mettant en oeuvre l'invention, dans lequel on utilise une configuration de réaction facultative. La figure 1 est un schéma d'un circuit conçu de façon à procurer une compensation par pré-distorsion confor- mément à l'invention, pour un amplificateur de puissance principal 15 Le signal d'entrée est appliqué à l'amplifi- cateur 15 par un diviseur de signal 11, un circuit de retard 12 et un circuit de combinaison de signal 13 L'une des deux autres composantes du signal d'entrée provenant du diviseur de signal 11 attaque un amplificateur de tension 14 Le signal de sortie restant du diviseur de signal 11 est retar- dé par un circuit de retard 16 avant d'être appliqué à un circuit de combinaison de signal 17 L'autre signal d'entrée du circuit de combinaison de signal 17 est une fraction du signal de sortie de l'amplificateur 14, transmise par un cou- pleur 20, par l'intermédiaire d'un atténuateur réglable 21. Une charge 18 constitue une impédance de terminaison pour le coupleur 20. Le seul but de l'amplificateur 14 est de générer des composantes de distorsion du même type que celles que produit la non linéarité de l'amplificateur 15 Bien que l'amplificateur 14 soit un préamplificateur ou un amplifica- teur de tension, on le choisit de façon qu'il ait des carac- téristiques de transfert similaires à celles de l'amplifica- teur 15 Par conséquent, les caractéristiques de retard et de phase entréesortie des deux amplificateurs doivent être similaires La manière la plus caractéristique d'obtenir la similitude des caractéristiques des amplificateurs consiste à utiliser la même technique de fabrication pour réaliser les deux dispositifs Le circuit de combinaison de signal 17 génère la différence entre une version retardée du signal d'entrée et une fraction du signal de sortie de l'amplifica- teur 14, qui est réglée au moyen de l'atténuateur 21 de façon à avoir la même amplitude Le signal de sortie du cir- cuit de combinaison de signal 17 ne produit donc que les com- posantes de distorsion qui sont attribuées à la distorsion non linéaire introduite par l'amplificateur 14. L'atténuateur 22 règle l'amplitude du signal de sortie de composantes de distorsion provenant du circuit de combinaison de signal 17 Le circuit de retard 12 règle la phase relative entre les composantes de distorsion et le signal d'entrée appliqué au diviseur de signal 11 La sortie du circuit de combinaison de signal 13 fournit le signal d'entrée pré-distordu de l'amplificateur 15 Lorsque les composantes de distorsion produites par l'amplificateur 14 sont réglées de façon à avoir la phase et l'amplitude appro- priées, la compensation par pré-distorsion est obtenue pour l'amplificateur 15 Par conséquent, lorsque l'amplificateur augmente l'amplitude de son signal d'entrée principal, la présence des composantes de distorsion appliquées à son entrée a pour effet d'annuler les composantes de distorsion que produit normalement la non linéarité de l'amplificateur 15. Cette configuration de circuit fait que le signal de sortie de l'amplificateur 15 est une reproduction plus fidèle du signal d'entrée appliqué au diviseur de signal 11, à cause de la correction de la non linéarité présente dans l'amplificateur 15 L'amplificateur 14, qui fait essentiel- lement fonction d'amplificateur de tension, est donc capable de corriger ou de linéariser le fonctionnement d'un amplifi- cateur de puissance de sortie tel que l'amplificateur 15. Par conséquent, le circuit dissipe un minimum de puissance et la quasi-totalité de la puissance de sortie de l'amplifi- cateur 15 est disponible pour l'utilisation. Il faut noter qu'il est important pour le fonction- nement à large bande que la longueur effective du chemin électrique entre le diviseur de signal 11 et le circuit de combinaison de signal 17, en passant par l'amplificateur 14, le coupleur 20 et l'atténuateur 21, soit égale à la longueur du chemin électrique entre le diviseur de signal 11 et le circuit de combinaison 17, en passant par le circuit de retard 16 De plus, la longueur du chemin électrique à par- tir du circuit de combinaison 17, ajoutée à la longueur du chemin électrique du circuit de combinaison 17 vers le cir- cuit de combinaison 13, en passant par l'atténuateur 22, doit être égale à la longueur du chemin électrique du cir- cuit de combinaison 17 au circuit de combinaison 13 en passant par le chemin correspondant au circuit de retard 12. La figure 2 utilise une compensation par réaction en plus de la compensation par pré-distorsion On utilise des numéros de référence semblables sur les figures pour désigner des composants électriques semblables Sur la figu- re 1, on a fait l'hypothèse selon laquelle le pré-amplifica- teur et l'amplificateur de puissance ont des caractéristi- ques de transfert similaires, ce qui est correct lorsqu'on utilise des tubes à ondes progressives, des klystrons, des transistors à effet de champ, etc, construits de façon similaire Cependant, la configuration de la figure 2 supprime de façon dynamique toute distorsion résiduelle produite par de faibles différences entre les caractéristi- ques de fonctionnement de l'amplificateur de tension de basse puissance et de l'amplificateur de forte puissance. L'une des différences entre les figures 1 et 2 réside dans le fait que le diviseur de signal 11 fournit un signal de sortie supplémentaire Un comparateur de signal 26 reçoit ce signal par l'intermédiaire d'un circuit de retard réglable 27 et il reçoit également une fraction du signal de sortie de l'amplificateur de puissance 15 Ce dernier signal d'entrée est obtenu à partir de la sortie de l'amplificateur de puissance par l'intermédiaire d'un divi- seur de signal ou coupleur directionnel 28 et d'un atténua- teur 31 Les deux signaux d'entrée appliqués au comparateur 26 sont réglés de façon appropriée de manière à etre en coïncidence d'amplitude avec un déphasage de 1800, afin que seule la composante de distorsion apparaisse en sortie du comparateur 26 La composante de distorsion est transmise à l'entrée de l'amplificateur 15 par l'intermédiaire d'un atténuateur réglable 32 et d'une entrée supplémentaire du circuit de combinaison de signal 13 Du fait que cette bou- cle de réaction travaille à partir d'une effet résiduel dû à une annulation incomplète qui donne des signaux de réac- tion de faible niveau, elle peut être réalisée aisément. Par conséquent, il peut ne pas être nécessaire que les com- posants de la boucle de réaction fonctionnent sur une dyna- mique étendue, et la largeur de bande disponible sera suffisante pour le contenu spectral du signal qui intervient. Bien que l'invention procure des avantages haute- ment souhaitables pour les applications concernant les satellites, on souligne à nouveau que les bénéfices obtenus permettent à l'homme de l'art d'utiliser avantageusement l'invention dans diverses autres applications De plus, des modifications des modes de réalisation considérés à titre d'exemples apparaîtront à l'homme de l'art, pour la mise en oeuvre des principes de l'invention Par exemple, dans cer- taines applications, les caractéristiques de fonctionnement de dispositifs dissemblables, tels qu'un klystron et un tube à ondes progressives, peuvent être suffisamment proches pour donner une linéarisation appropriée Bien que les modes de réalisation de l'invention représentés utilisent des com- posants réglables, on peut obtenir des relations d'amplitude et de phase correctes par un choix judicieux de composants de circuit et de techniques d'implantation de circuit, pour réduire les réglages et pour parvenir à une économie. Il va de soi que de nombreuses autres modifica- tions peuvent être apportées par l'homme de l'art au dispo- sitif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'inven- tion. REVENDICATIONS 1 Amplificateur pour signaux consistant en ondes électromagnétiques, comprenant un amplificateur de puissance ( 15) et un amplificateur auxiliaire ( 14), dans lequel la distorsion introduite par l'amplificateur de puissance est compensée par l'utilisation de l'amplificateur auxiliaire, caractérisé en ce que l'amplificateur auxiliaire ( 14) est un amplificateur de tension ayant des caractéristiques de retard et de phase entre l'entrée et la sortie qui sont similaires à celles de l'amplificateur de puissance, et l'amplificateur auxiliaire génère des composantes de distor- sion qui sont combinées avec une certaine relation d'ampli- tude et de phase avec le signal d'entrée de l'amplificateur de puissance, de façon à produire une compensation par pré- distorsion pour linéariser le fonctionnement de l'amplifica- teur. 2 Amplificateur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'amplificateur de puissance et l'amplifi- cateur auxiliaire sont constitués par le même genre de dis- positifs d'amplification. 3 Amplificateur selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend un premier circuit de combinai- son de signal ( 17) connecté de façon à recevoir le signal de sortie de l'amplificateur auxiliaire et une fraction du signal d'entrée, pour produire un signal de sortie représen- tatif de la différence algébrique entre ses deux signaux d'entrée, et ce premier circuit de combinaison de signal est conçu de façon à produire un signal de sortie correspon- dant aux composantes de distorsion introduites par la non linéarité de l'amplificateur auxiliaire, lequel génère un signal capable de produire une compensation par pré-distor- sion dans l'amplificateur de puissance. 4 Amplificateur selon la revendication 3, carac- térisé en ce qu'il comprend des moyens d'atténuation ( 22) et des moyens de déphasage ( 12), branchés de façon à rece- voir le signal de sortie du premier circuit de combinaison de signal ( 17) et un signal de sortie d'un diviseur de signal ( 11), afin de régler l'amplitude et la phase du signal appliqué à l'amplificateur de puissance ( 15), pour linéariser la caractéristique de fonctionnement de cet amplificateur de puissance. Amplificateur selon la revendication 4, carac- térisé en ce que l'amplificateur de puissance et l'ampiifi- cateur auxiliaire consistent tous deux en dispositifs d'amplification à transistor à effet de champ. 6 Amplificateur selon la revendication 4, caracté- risé en ce que l'amplificateur de puissance et l'amplifica- teur auxiliaire consistent tous deux en dispositifs d'amplification à tube à ondes progressives. 7 Amplificateur selon la revendication 3, carac- térisé en ce qu'il comprend un second circuit de combinai- son de signal ( 26) branché de façon à recevoir une fraction du signal d'entrée et une fraction du signal de sortie de l'amplificateur de puissance ( 15), pour produire un signal de réaction destiné à être appliqué à l'entrée de l'ampli- ficateur de puissance, pour effectuer une linéarisation supplémentaire de sa caractéristique de fonctionnement. 8 Amplificateur selon la revendication 7, carac- térisé en ce que des moyens d'atténuation ( 31) et des moyens de déphasage ( 27) sont connectés au second disposi- tif de combinaison de signal ( 26) pour fournir une fraction du signal de sortie de l'amplificateur de puissance qui est représentative de sa non linéarité, avec un réglage d'ampli- tude et de phase destiné à renforcer encore la linéarisation de l'amplificateur de puissance ( 15).