Brevet FR2873247A1 — publié le 20060120

EMETTEUR RADIO AVEC ADAPTATION D'IMPEDANCE VARIABLE La présente invention concerne les techniques d'adaptation d'impédance utilisables dans un émetteur radio entre son amplificateur de puissance et son antenne d'émission. Elle s'applique particulièrement, mais non exclusivement, aux émetteurs des terminaux radio mobiles. Il est connu que l'impédance complexe Z que présente une charge à un amplificateur de puissance radiofréquence (RF) qui l'alimente doit en principe être adaptée pour être égale au conjugué de l'impédance caractéristique Zout que l'amplificateur source présente sur sa sortie: Z = Zout En d'autres termes, l'impédance ramenée en sortie de l'amplificateur doit transformer un coefficient de réflexion idéal (nul) en un coefficient de réflexion égal au conjugué du coefficient de réflexion s22 en sortie du dernier transistor de puissance de l'amplificateur. C'est ce qu'on appelle l'adaptation conjuguée ("conjugate match"). Cette méthode assure en principe un transfert de puissance optimal vers la charge. Cependant, la pratique conduit souvent à d'autres valeurs d'adaptation, tenant compte des limitations physiques de l'amplificateur RF, notamment en ce qui concerne le courant maximal Imax qu'il est capable de délivrer et la tension maximale Vmax qu'il admet en sortie. Dans la méthode d'adaptation de puissance ("power match") ou de ligne de charge ("load line"), un réseau d'adaptation d'impédance assure la condition Z = Umax De cette façon, on Imax profite de toute la plage de fonctionnement de l'amplificateur, au prix d'un transfert de puissance sous-optimal vers la charge (voir "RF Power Amplifiers for Wireless Communications", S.C. Cripps, Artech House, 1999, sections 1.5 et 2.2). L'adaptation de puissance est couramment utilisée dans des émetteurs (par exemple des terminaux mobiles) où le transistor de sortie de l'amplificateur de puissance représente un élément important en termes de coût. La raison en est qu'on ne souhaite habituellement pas faire la dépense d'un transistor performant, coûteux, pour ensuite ne pas l'utiliser au maximum de la puissance qu'il est capable de délivrer. L'adaptation de puissance entraîne un taux d'ondes stationnaires plus grand que 1 en aval de l'amplificateur. Un circulateur dirige la puissance réfléchie vers une résistance adaptée (habituellement 50 n) pour éviter qu'elle atteigne le transistor de sortie. Il en résulte une dissipation de puissance qui fait consommer inutilement de l'énergie et provoque un échauffement indésirable de l'émetteur. Un but de la présente invention est de concevoir un émetteur capable de bien exploiter les propriétés d'un transistor de puissance et de limiter sa dissipation de puissance. L'invention propose ainsi un émetteur radio, comprenant une source de signal radio, un amplificateur de puissance pour recevoir un signal d'entrée issu de la source dans une bande de fréquence déterminée et délivrer un signal amplifié vers une antenne d'émission, des moyens d'adaptation d'impédance entre l'amplificateur de puissance et l'antenne d'émission, aptes à présenter plusieurs valeurs d'impédance vers l'amplificateur de puissance, et des moyens de commande pour sélectionner de manière adaptative la valeur d'impédance en fonction d'une caractéristique associée au signal d'entrée. On peut ainsi choisir une valeur d'impédance qui convient au type de signal émis. En règle générale, on adoptera une valeur d'impédance déterminée selon une méthode d'adaptation conjuguée lorsque le signal a une faible probabilité d'être émis au maximum de puissance autorisé par l'amplificateur, ce qui minimise la consommation électrique et l'échauffement de l'émetteur. En revanche, lorsque l'émission du signal requiert toute la dynamique du transistor de sortie de l'amplificateur, on préférera une valeur d'impédance déterminée selon une méthode d'adaptation de puissance. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un émetteur radio selon l'invention; et - la figure 2 est un diagramme montrant les réponses en puissance obtenues avec deux types de réseaux d'adaptation d'impédance. L'émetteur radio selon l'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans les terminaux mobiles de radiocommunication. En effet, ce sont dans ces terminaux que les problèmes de consommation électrique et de dissipation thermique se posent avec le plus d'acuité. En particulier, les terminaux mobiles de troisième génération, de type UMTS ("Universal Mobile Telecommunications System") ont besoin d'une grande dynamique de puissance pour pouvoir être utilisés dans des services à haut débit, de sorte que l'invention présente un grand intérêt dans ces terminaux. Sur le schéma de la figure 1, la référence 10 désigne la source de signal radio de l'émetteur, qui comprend de façon classique une partie numérique pour appliquer divers traitements et mises en forme au signal en bande de base, et un étage de modulation pour construire le signal radio par modulation d'une porteuse. Dans le cas de l'UMTS, la fréquence de la porteuse est dans une bande autour de 2 GHz, et la modulation est de type QPSK ("Quadrature Phase Shift Keying", modulation par déplacement de phase en quadrature) ou, dans certains cas, de type 16-QAM ("16-state Quadrature Amplitude Modulation", modulation d'amplitude en quadrature à 16 états). Le signal radio S issu de la source 10 est adressé à l'amplificateur de puissance 20. Celui-ci comporte un circuit d'attaque 21, un circuit de commande de gain 22 qui applique au signal une atténuation pilotée par une commande issue de la partie numérique de la source 10, et un transistor de puissance 23 qui délivre le signal radio amplifié S'. Le transistor de puissance 23 est typiquement un transistor à effet de champ à l'arséniure de gallium. On note Vmax sa tension de sortie maximale, Imax l'intensité maximale de son courant de sortie et Zout son impédance de sortie correspondant à un coefficient de réflexion s22 dans la plage de fonctionnement utilisée. Un circuit d'adaptation d'impédance 30, décrit en détail plus loin, reçoit le signal radio amplifié S'. Sa sortie est reliée à l'antenne 40 de l'émetteur par 2873247 -4- l'intermédiaire d'un circulateur 50 et d'un duplexeur non représenté. Le circulateur 50 est un dispositif à ferrite qui dirige la puissance incidente de la sortie du circuit d'adaptation 30 vers l'antenne 40, et qui dirige la puissance réfléchie par l'antenne 40 vers une résistance adaptée 51, de 50 S2 par exemple. Le circuit d'adaptation d'impédance 30 comporte par exemple deux réseaux d'adaptation d'impédance distincts 31, 32. Le réseau 31 est dimensionné selon la méthode d'adaptation conjuguée: Z = s22. Dans l'exemple considéré, il se compose d'un condensateur 33, monté en série avec une ligne de transmission 34. Le dimensionnement approprié du condensateur 33 et de la ligne 34 est aisément déterminé en utilisant de façon classique une abaque de Smith. Le réseau 32 est dimensionné selon la méthode d'adaptation de puissance: Z = umax II consiste, dans l'exemple représenté, en un Imax condensateur 35 monté en dérivation sur une ligne de transmission 36. Là aussi, une abaque de Smith peut être utilisée pour dimensionner le condensateur 35 et la ligne 36 selon la méthode d'adaptation de puissance. Pour mettre en circuit l'un ou l'autre des deux réseaux d'adaptation d'impédance 31, 32, le circuit 30 en comporte en outre une paire de commutateurs 37, 38 dont les positions sont commandées de façon conjointe par une unité de commande 60. Les commutateurs 37, 38 sont avantageusement des commutateurs unipolaires bidirectionnels connus sous l'appellation SPDT ("Single-Pole Double Throw"). Le commutateur 37 a son pôle relié à l'amplificateur 20 pour recevoir le signal S', et ses deux branches respectivement reliées aux réseaux d'adaptation d'impédance 31, 32. Le commutateur 38 a son pôle relié à l'antenne 40 et ses deux branches respectivement reliées aux réseaux d'adaptation d'impédance 31, 32. Les deux commutateurs SPDT peuvent être réalisés dans un même composant RF, comme par exemple un composant du type NLAS4684 commercialisé par la société ON Semiconductor. Dans la position représentée sur la figure 1, l'unité de commande 60 positionne les commutateurs 37, 38 pour mettre en circuit le réseau 31 à adaptation conjuguée. Dans l'autre position, c'est le réseau 32 à adaptation de puissance qui est mis en circuit. Le choix entre ces deux positions est fait par l'unité de commande 60 en fonction d'une ou plusieurs caractéristiques du signal d'entrée. Cette caractéristique peut être liée à la gamme de puissance dans laquelle le signal est à émettre. Dans ce cas, la consigne de puissance d'émission fournie à l'amplificateur 20 est également fournie à l'unité de commande 60 qui détermine périodiquement si le signal se trouve ou non dans le haut de la plage de fonctionnement du transistor de sortie 23. Si la puissance est modérée, l'unité 60 met en circuit le réseau 31 à adaptation conjuguée. Le transistor 23 fonctionne alors selon la caractéristique A montrée sur la figure 2. Sur cette figure, les abscisses Pin et les ordonnées Polit indiquent respectivement les puissances RF en entrée et en sortie du transistor 23, avec des unités arbitraires. Lorsqu'au contraire, le transistor 23 est sollicité dans la partie haute de sa réponse en puissance, l'unité 60 met en service l'autre réseau 32 à adaptation de puissance, afin qu'on puisse profiter de la caractéristique linéaire du transistor sur une plus large gamme de puissance (caractéristique B sur la figure 2). Le gain p ainsi obtenu par rapport à l'utilisation du réseau 31 est typiquement de l'ordre de 2 dB. Dans l'autre cas, lorsque la dynamique de puissance reste modérée, l'utilisation du réseau à adaptation conjuguée 31 procure un gain a qui est par exemple de l'ordre de 1 dB. L'unité de commande 60 peut décider entre ces deux cas en comparant la puissance requise à un seuil Th de l'ordre de la capacité maximale du transistor 23 en régime linéaire avec adaptation conjuguée. D'autres paramètres peuvent être pris en compte par l'unité de commande 60 pour décider quel réseau d'adaptation d'impédance doit être mis en circuit. Dans le cas d'application de l'invention au système UMTS, une possibilité est d'utiliser l'adaptation conjuguée lorsque le signal est modulé en QPSK, et l'adaptation de puissance lorsque le signal est modulé en 16-QAM. Ce dernier type de modulation requiert en effet une plus grande dynamique de puissance que la QPSK. Une autre possibilité encore est de tenir compte du type de service dans le cadre duquel la source 10 produit le signal d'entrée S. Par exemple, s'il s'agit d'un service à contrainte de temps réel, tel qu'une communication téléphonique, l'unité 60 pourra privilégier le réseau 32 à adaptation de puissance, tandis que le réseau 31 à adaptation conjuguée sera privilégié dans le cas d'un transfert de données sans contrainte de temps réel. Bien souvent, ces transferts impliquent des quantités de données importantes faisant l'objet de mécanismes d'acquittement et de retransmission dans les couches protocolaires supérieures, qui peuvent pallier une insuffisance temporaire de puissance d'émission. En privilégiant l'adaptation conjuguée pour ces transferts, on évite des dissipations d'énergie au sein du terminal. Un autre paramètre dont l'unité de commande 60 peut tenir compte pour sélectionner la valeur d'impédance présentée par le circuit 30 est la température T mesurée par un capteur installé dans le boîtier de l'émetteur. Typiquement, l'unité 60 sélectionne le réseau 31 à adaptation conjuguée si la température mesurée T dépasse un seuil prédéfini, tandis que le réseau 32 à adaptation de puissance pourra être sélectionné, en fonction du signal d'entrée S, si le seuil de température n'est pas atteint. On notera que des structures de réseaux d'adaptation d'impédance autres que celles représentées sur la figure 1 peuvent convenir à la présente invention. Une possibilité avantageuse, lorsque les valeurs d'impédance complexe à obtenir le permettent, est de recourir à des réactances commandables, telles que des diodes à capacité variable, au sein d'un réseau unique dont l'impédance est sélectionnée par l'unité 60. REVENDICATIONS 1. Emetteur radio, comprenant une source de signal radio (10), un amplificateur de puissance (20) pour recevoir un signal d'entrée (S) issu de la source dans une bande de fréquence déterminée et délivrer un signal amplifié (S') vers une antenne d'émission (40), des moyens (30) d'adaptation d'impédance entre l'amplificateur de puissance et l'antenne d'émission, aptes à présenter plusieurs valeurs d'impédance vers l'amplificateur de puissance, et des moyens de commande (60) pour sélectionner de manière adaptative la valeur d'impédance en fonction d'une caractéristique associée au signal d'entrée. 2. Emetteur radio selon la revendication 1, dans lequel les valeurs d'impédance comprennent une première valeur déterminée selon une méthode d'adaptation conjuguée et une seconde valeur déterminée selon une méthode d'adaptation de puissance. 3. Emetteur radio selon la revendication 2, dans lequel les moyens d'adaptation d'impédance (30) comprennent un premier réseau d'adaptation d'impédance (31) dimensionné selon la méthode d'adaptation conjuguée, un second réseau d'adaptation d'impédance (32) dimensionné selon la méthode d'adaptation de puissance, et des moyens de commutation (37, 38) pour mettre en circuit l'un des premier et second réseaux d'adaptation d'impédance en fonction de ladite caractéristique associée au signal d'entrée. 4. Emetteur radio selon la revendication 3, dans lequel les moyens de commutation comprennent deux commutateurs de type SPDT, l'un (37) monté entre l'amplificateur de puissance (20) et les réseaux d'adaptation d'impédance (31, 32) et l'autre (38) monté entre les réseaux d'adaptation d'impédance et l'antenne d'émission (40), commandés conjointement pour mettre en circuit l'un 2873247 -8- des réseaux d'adaptation d'impédance entre l'amplificateur de puissance et l'antenne d'émission. 5. Emetteur radio selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens d'adaptation d'impédance comprennent 5 au moins une réactance commandable. 6. Emetteur radio selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite caractéristique associée au signal d'entrée comprend une consigne de puissance d'émission. 7. Emetteur radio selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite caractéristique associée au signal d'entrée comprend un type de modulation appliquée au signal d'entrée. 8. Emetteur radio selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite caractéristique associée au signal d'entrée comprend un type de service dans le cadre duquel la source produit le signal d'entrée. 9. Emetteur radio selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel moyens de commande (60) sont agencés pour sélectionner la valeur d'impédance en tenant compte d'une indication de la température dans l'émetteur. 10. Terminal mobile de radiocommunication, incorporant un émetteur radio selon l'une quelconque des revendications précédentes.