Brevet FR2719954A1 — publié le 19951117

LINEARISATEUR A PREDISTORSION LARGE BANDE ET AUTO COMPENSE EN TEMPERATURE POUR AMPLIFICATEUR HYPERFREQUENCE. L'invention concerne le domaine de télécommunications par ondes électromagnétiques, et plus particulièrement des dispositifs d'amplification hyperfréquence utilisés dans des équipements d'émission et/ou de réception dans de tels systèmes de télécommunications. Plus précisément, l'invention concerne un linéariseur à prédistorsion pour10 amplificateur hyperfréquence, destiné à pallier des effets de nonlinéarité induits par les différentes conditions d'amplification rencontrées dans les divers régimes de fonctionnement de l'équipement. L'utilisation d'un linéariseur est rendue nécessaire par le fait bien connu de l'homme de l'art, que si, pour obtenir un bon rendement électrique d'un amplificateur, en particulier d'un amplificateur de puissance, celui-ci doit fonctionner près de la saturation. Or, près de ce point de fonctionnement, la linéarité de l'amplificateur est20 fortement dégradée par rapport à la linéarité de ce même amplificateur utilisé avec des signaux d'amplitude plus faibles que ceux nécessaires pour amener celui-ci en régime de saturation. Afin d'accroître la dynamique en régime linéaire d'un amplificateur, sans sacrifier le rendement électrique obtenu près de la saturation, il est connu d'utiliser un dispositif de correction de non-linéarités, que l'on appelle un linéariseur. Ils sont classiquement de trois types: soit à boucle de rétroaction négative ("feed back" en anglais),30 soit en boucle ouverte ("feed foward"), soit du type dite linéariseur à prédistorsion. Le linéariseur en configuration "feed backw convient à des amplificateurs travaillant à des fréquences relativement basses, et dont les variations des caractéristiques des35 signaux et donc de la linéarité de l'amplificateur, sont plus lentes que le temps de réaction de la boucle, c'est-à-dire entre la détection d'une non- linéarité et la correction de celle-ci. En revanche, cette configuration est très difficile à mettre en oeuvre pour l'amplification de signaux hyperfréquence, car trop lente par rapport aux fréquences du signal pour donner des résultats 5 satisfaisants. En hyperfréquence, on préfère alors l'utilisation soit d'un linéariseur à boucle ouverte, soit d'un linéariseur & prédistorsion. Le principe repose sur l'extraction via un coupleur, d'une partie du signal avant l'amplification de10 celui-ci, qui est ensuite traité par différent composants électroniques actifs et passifs pour obtenir un signal nonlinéaire de correction, ayant les mêmes caractéristiques de non-linéarité que celles du signal utile à corriger, mais en opposition de phase. Dans un circuit linéariseur à boucle15 ouverte, l'addition du signal de correction ainsi obtenu avec le signal utile amplifié, permet d'obtenir la linéarité recherchée. Le linéariseur à prédistorsion, en revanche, fourni un signal de correction avec le signal à amplifier à l'entrée de l'amplificateur hyperfréquence de puissance dont20 on voudrait corriger les non-linéarités. Différents types de linéariseurs à prédistorsion ont déjà été étudiés. Une première famille de linéariseurs à prédistorsion est décrite par exemple par le document US-A-4.992.754 de BLAUVELT et al., au nom de ORTEL Corp.25 (USA). Selon l'enseignement de ce document, le signal utile est appliqué à une ligne à retard, tandis que le signal de correction est élaboré dans une branche parallèle, avec un réglage d'amplitude pour le rendre égal à celui de la non- linéarité du signal amplifié, et un réglage de la phase du30 signal pour obtenir une opposition de phase par rapport au signal utile qui se propage sur la ligne à retard. Le signal utile et le signal de correction sont additionnés à l'aide d'un combineur ou d'un coupleur hyperfréquence, et ensuite acheminés sur l'entrée de l'amplificateur hyperfréquence de35 puissance. Les non-linéarités constatées à la sortie de l'étage d'amplification de puissance sont ainsi sensiblement diminuées sinon éliminées. On peut citer aussi un autre type de linéariseur & prédistorsion connu par exemple par le document US-A-4.068.186 de SATO et al., au nom de KDD (Japon). Ce linéariseur, montré schématiquement sur la figure 1, est 5 conçu pour travailler à des hautes fréquences pour pallier les nonlinéarités d'un amplificateur du type TOP (tube à ondes progressives) ou klystron. Comme générateur de non- linéarité, SATO et al. enseigne l'utilisation d'un TOP de faible puissance. Ce genre d'amplificateur introduit un10 léger retard (du à la vitesse finie de propagation d'électrons dans le vide) du signal amplifié par rapport au signal non amplifié. Afin de synchroniser les signaux des voies non-linéaire et linéaire, il faut donc introduire une ligne à retard 3 dans la branche correctrice.15 Le signal à amplifier est présenté à l'entrée 1 du linéariseur de SATO et al., d'o il est appliqué à un premier correcteur de caractéristique amplitude-fréquence 10. La sortie dudit premier correcteur 10 est ensuite fourni à un coupleur diviseur 2 qui divise le signal en deux parties, pour les appliquer respectivement aux entrées de deux lignes de transmission, la première comprenant une ligne à retard 3, et la deuxième comprenant un amplificateur hyperfréquence 4 générateur d'une distorsion non-linéaire, par exemple un TOP faible puissance. La quatrième branche du25 coupleur 2 est terminée par une charge adaptée 8. Classiquement, le coupleur diviseur 2 introduit un décalage de phase 0 entre les deux signaux fournis en sortie. Ce coupleur peut être par exemple un coupleur hybride 3dB, ce qui introduit un déphasage de 8 = x/= 90 .30 La voie principale (dite la voie linéaire) comprend donc un amplificateur hyperfréquence 4 dont le point de fonctionnement est choisi près de la saturation pour obtenir la génération de non-linéarités qui dépendent de la puissance du signal d'entrée. Afin de pouvoir régler le35 niveau de sortie du dispositif linéariseur à prédistorsion, sans agir sur le gain de l'amplificateur 4, un atténuateur variable 13 est situé en sortie de l'amplificateur 4. L'autre voie de SATO et al. (dite la voie non- linéaire) comprend, outre la ligne à retard 3, un correcteur 9 de la caractéristique phasefréquence. Les signaux des deux voies sont appliqués aux deux entrées d'un deuxième coupleur combineur 5, ou ils sont additionnés (encore avec un décalage de phase 0 entre les deux signaux). Ce coupleur peut être par exemple un coupleur hybride 3dB, ce qui introduit encore un déphasage de 0= 12. La quatrième branche du coupleur 5 est terminée par une charge adaptée 7.10 Le signal résultant de l'addition des deux signaux présents sur les deux entrées est ensuite fourni à un deuxième correcteur de caractéristique amplitude-fréquence 12. Enfin le signal utile, imprimé avec une prédistorsion, est fourni à la sortie 6 du dispositif o il sera appliqué à l'entrée d'un amplificateur hyperfréquence de puissance. Ce dispositif de l'art antérieur comprend donc deux organes correcteurs 12,10 de la caractéristique non-linéaire amplitude-fréquence, ainsi qu'un organe correcteur 9 de la caractéristique phase-fréquence. Des exemples de réalisation20 de tels organes correcteurs sont décrits dans le document SATO et al., dont le texte de la description est expressément incorporé par référence dans la présente demande, pour ce qui concerne sa description de réalisations de l'art antérieur.25 Les caractéristiques non linéaires de ces organes s'ajoutent à ceux de l'amplificateur hyperfréquence 4. Les fonctions de transfert de tous ces organes varient de façon disparate en fonction de la fréquence et de l'amplitude des signaux, ou encore en fonction de la température des30 composants. On s'arrange pour que le signal non-linéaire ainsi élaboré soit additionné au signal utile en opposition de phase, pour annuler les non linéarités de l'amplificateur hyperfréquence de puissance (non montré), mais uniquement dans une bande de fréquence relativement étroite et dans une35 gamme de puissance d'entrée relativement réduite, et à une température donnée. En jouant sur les caractéristiques des organes correcteurs 9,10,12 on peut obtenir une fonction de transfert dont le gain et la phase augmentent avec le niveau du signal d'entrée. Ceci est généralement la réponse 5 recherchée lorsque l'on souhaite linéariser un TOP de puissance. Un autre réglage des organes correcteurs 9, 10, 12 permet d'obtenir une fonction de transfert dont le gain augmente avec le niveau du signal d'entrée mais dont la10 phase diminue avec celui-ci. Il s'agit dans ce cas de la réponse recherchée lorsque l'on souhaite linéariser un amplificateur de puissance à l'état solide. Un autre linéariseur hyperfréquence large bande est décrit dans l'article de A. M. RHILLA, "Novel Broadband Linearizers and their application in power amplifiers for satellite transponders and ground stations", Paru dans Proceedinas Second European Conference on Satellite Communications, Liege, Belgium, 22-24 October 1991 pp 229- 234, publié par ESA (L'agence Spatiale Européenne), publication no. SP-332, article qui fait partie intégrante de la présente demande pour sa description de l'art antérieur. Ce document enseigne l'utilisation d'un circuit de prédistorsion afin de linéariser un amplificateur large bande de transpondeur spatial en bande Ku. Comme dans le document de SATO et al. , le circuit aurait deux branches, connectées à leurs extrémités par deux coupleurs 3dB hybride, chacun introduisant un déphasage de 90'. Il enseigne en outre l'utilisation de longueurs électriques30 équivalentes dans les deux branches, une configuration assez rare dans les autres circuits de prédistorsion décrits par ailleurs dans la littérature. Le principe des linéariseurs à prédistorsion illustré par les documents de l'art antérieur cités ci-dessus convient pour les applications hyperfréquences. Il présente cependant plusieurs inconvénients majeurs qui rendent sa mise en oeuvre difficile. On peut en citer parmi d'autres: un premier inconvénient réside dans le fait que les opérations de réglage initial des circuits correcteurs (10,12) de la caractéristique amplitude-fréquence et du correcteur (9) de la caractéristique phase-fréquence, sont souvent longues et délicates à réaliser, tâche compliquée d'avantage dans le cas habituel ou les longueurs électriques des deux voies sont généralement très différentes; - un deuxième inconvénient provient du fait que les deux voies étant constituées d'éléments différents, leurs comportements en fonction de la température sont différents également. Il en résulte des variations des caractéristiques des organes correcteurs et donc de la fonction de transfert globale du dispositif, ces variations étant particulièrement sensibles à la température; - un autre inconvénient des dispositifs de l'art antérieur est que la largeur de bande de fonctionnement optimal du dispositif correcteur de non-linéarités est en fait limitée par les différences ou par des variations différentielles des longueurs électriques des deux voies,20 soit en fonction de la fréquence ou de l'amplitude des signaux à amplifier, soit en fonction des conditions de fonctionnement dont notamment la température. L'invention a pour but de pallier les inconvénients de l'art antérieur. A ces fins, l'invention propose un linéariseur à prédistorsion pour amplificateur hyperfréquence, ledit linéariseur comprenant en outre: - un diviseur d'entrée 22 comportant une entrée et deux sorties, ayant un déphasage relatif de 90" entre les deux sorties; - une première voie dite linéaire et une deuxième voie dite non-linéaire, lesdites voies linéaire et non-linéaire présentant sensiblement la même longueur électrique; et un combineur de sortie 15 ayant deux entrées et une sortie, ayant un déphasage relatif de 90" entre les deux entrées; caractérisé en ce que ladite première voie et ladite deuxième voie sont constituées par des circuits de même nature. Selon une réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, ladite première voie et ladite deuxième voie sont constituées par des circuits identiques. Selon une caractéristique, ledit diviseur 22 est un coupleur hybride 3 dB. Selon une autre caractéristique, ledit combineur 15 est un coupleur hybride 3 dB. Selon une variante, ledit diviseur10 22 est un coupleur à lignes couplées. Selon une autre variante, ledit combineur 15 est un coupleur à anneau. L'invention propose en outre différentes technologies de réalisation des circuits du linéariseur, qui peut être réalisé au moins en partie en technologie MMIC. Selon une15 variante, ledit linéariseur est réalisé au moins en partie en technologie MIC. Enfin, l'invention propose également un amplificateur hyperfréquence comportant un linéariseur selon l'une quelconque des variantes précédentes. L'invention sera mieux comprise, et ses différentes caractéristiques et avantages ressortiront de la description détaillée qui suit d'un exemple de réalisation, et de ses figures annexées, dont: - la figure 1, déjà décrite, montre un linéariseur à prédistorsion de l'art antérieur; et - la figure 2, montre schématiquement un exemple d'une réalisation d'un linéariseur à prédistorsion selon l'invention. Les figures sont données à titre d'exemples non limitatifs pour illustrer les principales caractéristiques de l'invention et de ses variantes. Les mêmes repères se réfèrent aux mêmes éléments sur les deux figures. Des moyens équivalents peuvent être substitués aux éléments représentés sur les figures sans sortir pour autant du cadre de l'invention.35 La figure 2 montre un exemple d'un linéariseur selon l'invention. Le schéma ressemble en plusieurs points au schéma de la figure 1 qui représente l'art antérieur. Comme dans la figure précédente, le signal à amplifier est présenté à l'entrée 1 du linéariseur, d'o il est appliqué à l'entrée d'un coupleur diviseur de puissance 22, dont l'une des branches est terminée sur une charge adaptée 8. Le 5 signal est ainsi divisé en deux parties, qui sont appliquées respectivement aux entrées de deux lignes de transmission. Classiquement, le coupleur diviseur 22 introduit un décalage de phase 0 entre les deux signaux fournis en sortie vers les deux lignes de transmission. Ce coupleur 22 peut être par10 exemple un coupleur hybride 3dB, ce qui introduit un déphasage de 0= 7t2(=900). Dans une réalisation préférée de l'invention, ce coupleur 22 peut aussi bien être un coupleur à lignes couplées, réalisé en technologie microruban par exemple. La première ligne de transmission (dite la voie non- linéaire) comprend un amplificateur 14, générateur d'une distorsion non linéaire d'amplitude de même nature que celle de l'amplificateur de puissance que l'on voudrait linéariser, un atténuateur variable 13, et un déphaseur20 variable 29. Sur la deuxième ligne de transmission (dite la voie linéaire), nous avons également un déphaseur variable 19, un atténuateur variable 13 et un amplificateur hyperfréquence 4.25 Les signaux sur les deux voies sont ensuite additionnés par un coupleur combineur 15, dont l'une des branches est terminée sur une charge adaptée 7. Le signal de correction par prédistorsion est fourni en sortie 6 du coupleur combineur 15 à un amplificateur hyperfréquence de30 puissance (non montré). Classiquement, le coupleur combineur 15 introduit un décalage de phase O entre les deux signaux fournis sur ses entrées par les deux lignes de transmission, avant leur sommation. Ce coupleur 15 peut être par exemple un coupleur hybride 3dB, ce qui introduit un35 déphasage de 8= /2(=900). Dans une réalisation préférée de l'invention, ce coupleur 15 peut aussi bien être un coupleur à anneau, également capable d'introduire le déphasage voulu. En plus des éléments essentiels de l'invention énumérés ci-dessus, d'autres éléments peuvent être introduits sur chaque voie, à condition que les longueurs électriques des éléments introduits sur chaque voie soient identiques, d'une part, et que leurs éventuelles variations de caractéristiques (fonctions de transfert) en fonction notamment de la température ou du régime de fonctionnement (fréquence, puissance du signal d'entrée), soient les mêmes d'autre part. Aussi, dans une réalisation préférée de l'invention, chaque voie comprend en outre un atténuateur fixe (non- montrés explicitement sur la figure 2). Ces atténuateurs fixes peuvent avoir des valeurs d'atténuation différentes mais leurs longueurs électriques seront identiques. De15 cette manière, les longueurs électriques de tous les circuits sur chaque voie étant identiques, le dispositif linéariseur de l'invention fonctionne correctement dans une très large bande de fréquences, car la fonction de transfert de chaque voie varie de la même façon en fonction de la20 fréquence. La construction exposée ci-dessus à l'aide de la figure 2 présente donc un déphasage naturel de 180 entre les deux voies, ce déphasage total résultant uniquement des déphasages introduits par les deux coupleurs diviseur 22 et25 combineur 15. Puisque les circuits se trouvant sur les deux voies sont identiques, et que les réglages des circuits identiques seront approximativement les mêmes sur les deux voies, les variations éventuelles de fonctions de transfert en fonction de la température générée sur les deux voies30 sont additionnées en opposition de phase et s'annulent. Le dispositif selon l'invention est ainsi autocompensé en température. Puisque les longueurs électriques des deux voies sont identiques, la fonction de transfert du dispositif selon l'invention est indépendante de la fréquence, il fonctionne correctement sur une très large bande de fréquence. En outre, comme il est bien connu de l'homme de l'art, le déphasage relatif A q des signaux sur la voie linéaire et la voie non-linéaire pour obtenir une fonction de transfert globale du linéariseur correspondant à un TOP comme 5 amplificateur hyperfréquence de puissance, est toujours de l'ordre de A q z -170 , avec une différence d'amplitude AV sur les deux voies de l'ordre de 3dB. Pour un amplificateur hyperfréquence de puissance à l'état solide, en revanche, le déphasage relatif des signaux sur les deux voies est de10 l'ordre de A = +170 . On constate que dans les deux cas, le déphasage naturel de 180' entre les deux voies donne un pré réglage du linéariseur selon l'invention, qui permet: d'une part, d'économiser le temps consacré aux réglages fins des déphaseurs variables du linéariseur; et d'autre part,15 d'assurer que les deux déphaseurs réglables auront des valeurs semblables, donc un point de fonctionnement voisin, obtenu par des polarisations des composants qui seront pratiquement les mêmes. Ceci permet de garder des longueurs électriques identiques dans les deux voies. Dans une réalisation préférée de l'invention, des atténuateurs fixes sont ajoutés dans chaque voie. Il convient, pour les applications précitée de linéarisation d'un amplificateur hyperfréquence de puissance à l'état solide ou d'un TOP, de prévoir une valeur d'atténuation de25 l'atténuateur fixe dans la voie non linéaire supérieur de 3 dB à la valeur d'atténuation de l'atténuateur fixe de la voie linéaire. De cette manière, s'il reste des petits réglages d'amplitude à faire dans l'une ou l'autre des deux voies, ceci peut être effectué sans modification sensible du30 point de fonctionnement et donc sans modification sensible des longueurs électriques des deux voies. Dans cette réalisation, on voit que les deux voies sont naturellement réglées très proche du point optimum, défini par: A g; 170 ,AV t 3dB. L'ajustage final de la35 différence de phase ou de la différence de l'amplitude des signaux qui se propagent dans les deux voies linéaire et non linéaire, est alors réalisé à l'aide des circuits l1 atténuateurs ou déphaseurs situés dans chacune des deux voies. Le fait que le réglage naturel des amplitudes et des phases des signaux se propageant dans les deux voies est très proche du réglage optimum, entraîne que les conditions5 de polarisation des circuits de réglage fin (atténuateurs et déphaseurs) seront similaires. Leurs fonctions de transfert resteront quasi identiques, du fait que tout réglage à faire sera forcement petit à partir du réglage naturel A 180 ,A V - 3dB.10 Des essais ont été effectués pour vérifier l'efficacité et le bon fonctionnement du dispositif selon l'invention. Le linéariseur décrit a été associé à un TOP pour lequel l'expansion requise du gain à saturation de celui-ci est de 4 dB et l'expansion de phase égale à 40'. 15 Nous avons pu constater d'une part que le linéariseur était naturellement proche du réglage souhaité et que l'ajustement fin de ce réglage a pu être réalisé très rapidement. Nous avons pu constater également que le linéariseur selon l'invention fonctionne parfaitement dans une large bande de20 fréquence sans modification de réglage aucune. Sa bande passante en bande C est supérieure à 20 %, pour une première maquette de réalisation. Enfin, dans une gamme de température variant de -10'C à +60'C, la variation de la courbe d'expansion du gain du linéariseur s'est avérée négligeable et la variation de la courbe d'expansion de phase très faible puisque inférieure à ' à saturation. Les circuits qui constituent les deux voies du dispositif de linéariseur selon l'invention peuvent être réalisés selon les techniques habituelles de l'homme du métier, et en particulier par les technologies MMIC ou MIC. Les circuits peuvent être réalisés collectivement ou individuellement, et ensuite reliés par des circuits microruban, ou par des techniques hybrides. Le dispositif35 de l'invention se prête naturellement à une réalisation par les techniques de MMIC, dans la mesure o les circuits dans chaque voie doivent être identiques, et donc sont facilement reproduits à partir d'une bibliothèque de composants MMIC standards. Enfin, le dispositif linéariseur selon l'invention est destiné à faire partie d'un amplificateur hyperfréquence de puissance, dont il améliore la linéarité dans une large bande de fréquence, et dans des conditions de fonctionnement variables. L'invention propose donc un amplificateur hyperfréquence comprenant un linéariseur tel que décrit ci-dessus.10 Pour résumer les avantages de l'invention, le dispositif de linéarisation à prédistorsion proposé est constitué de deux voies linéaire et non linéaire constituées des mêmes éléments pour lesquels les conditions de polarisations et les points de fonctionnement sont15 identiques ou quasi identiques. Il en résulte que la fonction de transfert globale du dispositif n'est pas ou très peu affectée par la variation de température de celui-ci. Le dispositif selon l'invention peut être ainsi caractérisé comme auto compensé en température.20 De plus, de par le fait que les longueurs électriques des voies soient identiques ou quasi identiques, ce dispositif fonctionne dans une très large bande de fréquence. D'autre part, l'utilisation originale d'un coupleur à lignes couplées en entrée et d'un coupleur en anneau en sortie associée avec le fait que les deux voies sont réalisées à l'aide des mêmes éléments fait que le dispositif selon l'invention présente un réglage naturel des phases (et dans une réalisation particulière, des amplitudes),30 correspondant à une application pour amplificateur à TOP ou à l'état solide. Le dispositif de l'invention est donc pré réglé. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples discutés et décrits ci-dessus, mais peut s'appliquer à toutes les réalisations utilisant un ou plusieurs moyen(s) équivalent(s) au moyens décrits à titre d'exemple, pour remplir les mêmes fonctions, en vu d'obtenir les mêmes résultats. REVENDICATIONS 1. Linéariseur à prédistorsion pour amplificateur hyperfréquence, ledit linéariseur comprenant en outre: - un diviseur d'entrée comportant une entrée et deux sorties, ayant un déphasage relatif de 90 entre les deux sorties; - une première voie dite linéaire et une deuxième voie dite non-linéaire, lesdites voies linéaire et non-linéaire présentant sensiblement la même longueur électrique; et - un combineur de sortie ayant deux entrées et une sortie, ayant un déphasage relatif de 90' entre les deux entrées;15 caractérisé en ce que ladite première voie et ladite deuxième voie sont constituées par des circuits de même nature. 2. Linéariseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première voie et ladite deuxième voie sont constituées par des circuits identiques. 3. Linéariseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit diviseur est un coupleur hybride 3 dB. 4. Linéariseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit combineur est un coupleur hybride 3 dB. 5. Linéariseur selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ledit diviseur est un coupleur à lignes couplées.30 6. Linéariseur selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ledit combineur est un coupleur à anneau. 7. Linéariseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé au moins en partie en technologie MMIC. 8. Linéariseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé au moins en partie en technologie MIC. 9. Amplificateur hyperfréquence comportant un linéariseur selon l'une quelconque des revendications précédentes.