Brevet FR2683686A1 — publié le 19930514

AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE MICRO-ONDES La présente invention est relative à l'amplification de signaux micro-ondes et elle concerne en particulier un amplificateur de puissance destiné à être utilisé pour les signaux micro-ondes ou hyperfréquences. Dans le domaine des hyperfréquences, on utilise habituellement des amplificateurs qui fonctionnent en classe A ou en classe A/B, mais le rendement d'un étage d'amplification fonctionnant dans un tel régime est faible lorsque le transistor est amené à l'état saturé, soit environ 25 à 35 % selon la fréquence de fonctionnement. Dans un satellite, cependant, il est important de pouvoir utiliser des amplificateurs ayant une puissance de sortie la plus élevée possible afin de réduire le poids des équipements embarqués et la consommation d'énergie. Un amplificateur utilisé en classe C possède certes un rendement en puissance plus élevé que les amplificateurs fonctionnant en classe A ou en classe A/B. Toutefois, sa faible linéarité le rend impropre pour l'amplification d'un signal multiporteuses (c'est-à-dire un signal contenant un grand nombre de porteuses modulées chacune par un canal de données) en raison du niveau d'interférence intercanal intolérable qui découle de ce défaut de linéarité. Comme alternative à l'amplificateur classe C, il a été proposé un amplificateur à contrôle d'harmoniques (HCA) qui consiste en un transistor à effet de champ dont le circuit de drain est agencé pour court-circui ter les harmoniques pairs (Iso, A. et al : "A Highly efficient, S-band, 100 W linear Ga As FE5 power amplifier for mobile communications satellites", Congrès Aéronautique International IAF, Dresde, 6-12 octobre 1990, publication IAF 90-466). Cet amplificateur connu allie la linéarité à un rendement de drain élevé de l'ordre de 57 %. Le but de l'invention est de proposer un amplificateur de puissance qui allie un rendement de drain élevé à un rendement de gâchette amélioré. Pour atteindre ce but, l'invention se base sur l'utilisation d'un amplificateur travaillant en commutation. En effet, il est connu qu'un amplificateur de commutation peut avoir un rendement de drain élevé. Toutefois, pour atteindre un tel rendement de drain en hyperfréquence, il est nécessaire de résoudre un double problème 1) éviter les effets négatifs sur le rendement de gâchette, qui résultent de l'impédance d'entrée complexe et entraînent généralement une perte de puissance d'entrée qui peut atteindre 3 à 5 dB, réduisant même le gain de l'étage d'amplification à une valeur voisine de l'unité et annulant les avantages d'un rendement de drain élevé. 2) adapter le circuit de sortie pour favoriser les harmoniques impairs qui sont nécessaires pour créer un signal de forme rectangulaire. C'est ce double problème qui est actuellement le principal facteur qui limite l'utilisation des amplificateurs de commutation en haute fréquence. L'invention résout ce double problème par un amplifi cateur de puissance comprenant un premier transistor travaillant en régime de commutation, dans lequel la grille est attaquée par le signal produit par un générateur d'impulsion de forme rectangulaire, ledit générateur d'impulsion étant constitué d'un deuxième transistor dont la grille est connectée à la borne d'entrée de l'amplificateur de puissance, et d'un réseau de couplage connecté entre le drain du deuxième transistor et la grille du premier transistor, le réseau de couplage étant agencé pour former une impédance de charge essentiellement ohmique pour la fréquence fondamentale et les harmoniques impairs et former un court-circuit pour les harmoniques pairs. Un amplificateur selon l'invention a l'avantage d'avoir un rendement en puissance supérieur à celui d'un amplificateur classe C ou même classe D et de pouvoir être utilisé en hyperfréquence sans être limité par les effets négatifs évoqués plus haut. De plus, on a pu observer que les performances de cet amplificateur sont peu sensibles aux variations de la tension de polarisation et aux variations de la puissance d'entrée. Enfin, grâce à son comportement en courant continu, l'amplificateur de puissance selon l'invention offre une grande fiabilité. D'autres avantages apparaîtront à la lecture de l'exposé qui suit, au cours duquel un mode de réalisation exemplaire est décrit à l'aide des dessins joints. La figure 1 est un schéma du circuit d'un mode de réalisation exemplaire de l'amplificateur de puissance conforme à l'invention. Les figures 2 et 3 sont des diagrammes montrant des lignes caractéristiques des deux étages de l'amplifi cateur de la figure 1. L'amplificateur selon l'invention comprend deux étages en cascade : le premier étage consiste en un générateur d'impulsion rectangulaire 11 et le deuxième étage consiste en un transistor 12 travaillant en régime de commutation. Le générateur d'impulsion rectangulaire 11 est constitué d'un transistor à effet de champ 13 suivi d'un réseau de couplage 15 connecté entre le drain du transistor d'entrée 13 et la grille du transistor de sortie 12. Le réseau de couplage 15 est agencé pour assurer une adaptation convenable de l'impédance de charge du transistor d'entrée 13 afin que cette impédance de charge soit essentiellement ohmique pour la fréquence fondamentale f et le troisième harmonique 3f et qu'elle soit court-circuitée pour le deuxième harmonique 2f.Ce résultat est obtenu par la combinaison d'un filtre passe-haut HPF accordé sur le troisième harmonique 3f et d'un filtre passe-bas LPF accordé sur la fréquence fondamentale f. Les filtres passe-haut HPF et passe-bas LPF sont composés d'éléments inductifs et capacitifs ainsi qu'il est connu en soi, et les valeurs de ces éléments sont choisies de manière que le deuxième harmonique 2f soit courtcircuité. De cette manière, la grille G2 du transistor de sortie 12 reçoit toujours des impulsions de forme rectangulaire en dépit de l'impédance d'entrée complexe. Le transistor de puissance 12 peut ainsi travailler en commutation en évitant la surtension et les effets négatifs qui en découlent normalement. I1 en résulte un gain de grille sensiblement amélioré, ce qui contribue à l'accroissement du gain de transfert global du transistor de puissance. La figure 2 montre des lignes caractéristiques du transistor 13 du premier étage. On observe le signal de sortie VD1 dont la forme d'onde est essentiellement rectangulaire. I1 est vrai qu'il se produit quand même une perte de puissance sur la grille G1 par suite de la formation de l'impulsion comme illustré par les zones sombres notées 110, mais elle n'a ici que peu d'influence sur le rendement global de l'amplificateur car le niveau micro-onde est faible comparé aux niveaux de puissance du deuxième étage. Le circuit du drain D2 du transistor 12 comprend un réseau de sortie ayant pour but de créer un signal de sortie de forme rectangulaire. Le réseau de sortie 14 est constitué d'éléments inductifs et capacitifs interconnectés de manière que l'impédance de sortie soit ohmique pour la fréquence fondamentale f et pour le troisième harmonique 3f et qu'elle soit court-circuitée pour le deuxième harmonique 2f et les autres harmoniques pairs. La valeur de la charge de sortie est choisie pour assurer une puissance de sortie maximale. La figure 3 montre des lignes caractéristiques du transistor 12 de l'étage de sortie. On observe le signal de sortie VD2 qui a une forme d'onde relativement rectangulaire. REVENDICATIONS 1. Amplificateur de puissance comprenant un premier transistor (12) travaillant en régime de commutation, caractérisé en ce que la grille (G2) du transistor (12) précité est attaquée par le signal produit par un générateur (11) d'impulsion de forme rectangulaire, ledit générateur d'impulsion étant constitué d'un deuxième transistor (13) dont la grille (G1) est connectée à la borne d'entrée de l'amplificateur de puissance (10), et d'un réseau de couplage (15) connecté entre le drain (D1) du deuxième transistor (13) et la grille (G2) du premier transistor (12), le réseau de couplage (15) étant agencé pour former une impédance de charge essentiellement ohmique pour la fréquence fondamentale et les harmoniques impairs et former un court-circuit pour les harmoniques pairs. 2. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de couplage (15) comprend un filtre passe-haut (HPF) accordé sur le troisième harmonique (3f) du signal et un filtre passe-bas (LPF) accordé sur la fréquence fondamentale (f), 3. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit de drain du premier transistor (12) comprend un réseau (14) formant une impédance de sortie ohmique pour la fréquence fondamentale et le troisième harmonique et un court-circuit pour les harmoniques pairs du signal de sortie.