Brevet FR2890260A1 — publié le 20070302

Procédé et dispositif de contrôle de 2 niveaux de puissance crête pour un amplificateur en mode impulsionnel L'invention concerne notamment un procédé et un dispositif de contrôle d'au moins 2 niveaux de puissance pour un amplificateur fonctionnant en mode impulsionnel. L'invention concerne, par exemple, un dispositif de contrôle de puissance crête d'un émetteur de puissance radiofréquence RF impulsionnel large bande pouvant délivrer 2 niveaux de puissance crête appelés puissance normale et puissance réduite. Pour les émetteurs impulsionnels de puissance devant délivrer 10 une puissance réduite de n dB par application d'un signal discret de commande, il est connu d'employer les méthodes suivantes: É ajouter en sortie d'un émetteur, un commutateur de puissance mettant ou non en service un atténuateur de n dB, É ajouter entre 2 étages de basse puissance, un commutateur mettant 15 ou non en service soit un atténuateur de n dB, soit un étage amplificateur de n dB, É faire varier l'alimentation DC de n étages bipolaires classe C. Ces dispositifs présentent toutefois certains inconvénients: Le commutateur de puissance introduit notamment des pertes. L'ampli de puissance doit donc être plus puissant qu'il n'est nécessaire pour son fonctionnement. De fait, il doit toujours fonctionner à une puissance maximale. De plus, l'implantation doit permettre d'intégrer l'atténuateur. La difficulté de garantir un gain identique des étages suivants pour chacun des 2 niveaux de puissance. Ce problème devient vite insurmontable quand il s'agit d'amplificateur large bande. La dynamique de variation de puissance est limitée à 2 dB par étage bipolaire classe C. L'invention concerne un dispositif de contrôle d'au moins 2 niveaux de puissance crête pour un amplificateur fonctionnant en mode impulsionnel caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants: un étage de pré-modulation comportant au moins: É un premier étage amplificateur, comprenant au moins un amplificateur et un dispositif de traitement adapté à fournir un signal de forme carrée à l'amplificateur, É un deuxième étage amplificateur, comprenant au moins un amplificateur et un dispositif de traitement adapté à fournir un signal ayant une forme sensiblement identique à la forme de la modulation appliquée, Un étage asservi en puissance comportant au moins: É un coupleur et détecteur pour prélever au moins une partie du signal 15 en sortie de la chaîne d'amplification et l'envoyer vers un amplificateur vidéo, É un détecteur de crête et un discriminateur de niveau adaptés à générer un signal de modulation vers un amplificateur, É des moyens d'alimentation des amplificateurs. Le dispositif et le procédé selon l'invention offrent notamment les avantages suivants: É le système permet de garantir l'intégrité de l'impulsion gaussienne émise, de réguler ses puissances crête avec précision dans toute la bande de fréquence concernée et d'obtenir des performances stables en température, É des dimensions, poids et volume réduits pour les applications embarquées, É le système est suffisamment rapide pour assurer une agilité suffisante 30 de la variation de puissance et une dynamique de variation la plus grande possible sans sacrifier la précision. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent: É la figure 1 l'architecture d'un dispositif permettant le contrôle de 2 niveaux de puissance crête selon l'invention, É les figures 2A et 2B différents chronogrammes correspondant aux signaux de commande et aux signaux de modulation, É la figure 3 une architecture pour un amplificateur commandé en tension pulsé pouvant être utilisé dans le schéma selon l'invention. Le dispositif et le procédé selon l'invention reposent notamment sur le contrôle de gain de n étages d'une chaîne d'amplification plutôt que sur l'utilisation de dispositifs permettant une atténuation synonyme de pertes inutiles. L'invention consiste notamment, grâce à une détection du signal émis d'une part et l'utilisation d'un ampli RF à gain variable d'autre part, à générer un signal impulsionnel de forme gaussienne d'amplitude contrôlée par un système d'asservissement numérisé ayant deux niveaux ou plus de puissance crête pouvant être sélectionnés par un signal discret. La figure 1 schématise un exemple d'architecture pour le système selon l'invention. Il comprend, par exemple, un étage asservi en puissance et un ou plusieurs étages de pré-modulation. Ces étages sont détaillés ciaprès. Premier étage d'amplification Le premier étage d'amplification RF utilise par exemple un transistor LDMOS 1 utilisé en classe AB avec alimentation de drain impulsionnel. Pour cela, l'alimentation 21 est reliée à un dispositif de traitement 3 recevant un signal de synchronisation d'émission et émettant une commande en conséquence permettant une alimentation découpée de l'amplificateur. 2890260 4 Le gain du premier étage est contrôlé par une tension continue 4 variable générée à partir de 2 tables numériques stockées, par exemple, en SEPROM 5, destinées à commander un potentiomètre numérique 4 permettant de régler l'amplitude du signal de modulation dont la forme est générée via une source de tension continue référencée DC sur la figure. A chacune des fréquences en puissance réduite et en puissance normale correspond une tension continue. Les 2 tables sont adressées en fonction de la fréquence Freq à émettre et du signal de commande "Puissance normale/ Puissance réduite par un dispositif de traitement 6. Le signal de modulation ainsi généré est transmis à l'amplificateur 1. Il en résulte en sortie de l'ampli RF à gain variable 1, 2 niveaux de puissance crête espacées de la moitié de l'écart de puissance. Chacun des 2 niveaux de puissance est fixe en fonction de la fréquence. Il peut éventuellement incorporer une pré-accentuation si nécessaire. En sortie de l'amplificateur 1, on obtient des impulsions RF de forme carrée, dont la puissance crête prend 2 valeurs fixes en fonction de la fréquence selon l'état du discret de commande de puissance réduite (PNR). Les impulsions sont transmises à un deuxième amplificateur de puissance. L'écart entre la puissance maximale et la puissance réduite est limité par le gain inverse de l'étage. Pour conserver une bonne précision et rester dans une dynamique de tension de commande, on cherche la valeur d'écart la plus réduite possible compte tenu des contraintes de bande passante. L'écart maximum qui peut être atteint est par exemple limité à 7 à 8 dB. Deuxième étage d'amplification Le second étage d'amplification RF utilise par exemple un transistor LDMOS 7 utilisé en classe AB avec alimentation de drain impulsionnel 22. Le gain de l'étage est contrôlé par une tension modulée d'amplitude variable. Cet étage est utilisé si l'écart entre les 2 niveaux de puissance présents sur l'entrée du transistor excède 7 à 8 dB. L'information d'amplitude maximum du signal de modulation est générée à partir de n*2 tables numériques stockées en SEPROM 8 adressées en fonction de la fréquence à émettre et du discret Pnormale/Préduite, n étant adressé en fonction du résultat de mesure de la largeur à mi- amplitude de l'impulsion émise, le signal produit est donc aussi contrôlé en largeur. Un dispositif de traitement 9 reçoit les signaux de synchronisation émission, le PNR et la fréquence requise Freq à émettre. La forme du signal de modulation est générée via un convertisseur analogique numérique DAC (source de modulation) 30 à partir de n*2 tables numériques sélectionnées par le signal de commande Pnormale/Préduite. Il est synchronisé par les commandes d'émission. Le potentiomètre 10 permet de faire varier l'amplitude du signal de modulation (signal de modulation 2). Ce signal de modulation est le même ou sensiblement le même que celui utilisé par l'étage asservi en puissance. La modulation sur 2 étages successifs permet notamment de conserver l'intégrité des impulsions à émettre au voisinage de leur pied. L'utilisation de n*2 tables différentes selon le niveau de puissance est associée à la non linéarité des courbes de gain des étages amplificateurs LDMOS. Il en résulte en sortie du deuxième étage d'amplification, (en sortie de l'amplificateur 7), 2 niveaux de puissance crête en sortie espacés de la totalité de l'écart de puissance nécessaire. Chacun des 2 niveaux de puissance est fixe en fonction de la fréquence. Il peut éventuellement incorporer une pré-accentuation si nécessaire. En sortie du deuxième étage d'amplification, on obtient donc des impulsions RF de forme correspondant à la modulation appliquée (modulation par la polarisation de grille du transistor) et dont la puissance crête peut prendre 2 valeurs fixes en fonction de la fréquence selon l'état du discret de commande de puissance réduite (PNR). La largeur est contrôlée par la maîtrise du signal de modulation. Etage asservi en puissance L'étage de puissance comporte notamment: un amplificateur RF à gain variable 20, un coupleur et un détecteur référencés 21 stabilisés notamment en température. Le signal détecté kx Pcrete est appliqué à un ampli vidéo 22 dont le gain est contrôlé par un potentiomètre numérique à bus de commande série pour assurer la compensation en fréquence et en température de l'ampli RF. En outre l'ampli vidéo 22 a 2 plages de réglage de gain en fonction de la commande de puissance réduite (PNR). Un détecteur crête 24 et un discriminateur 25 de niveaux envoient à partir d'une valeur de consigne "Ref DEC" les informations de puissance crête à un dispositif de traitement-asservissement 26 qui élabore une commande synchronisée d'incrémentation ou de décrémentation d'un potentiomètre numérique 27 à interface UP/DOWN générant ainsi le signal de modulation de l'étage RF à partir du signal de modulation généré via un convertisseur DAC 28 à partir de 2 tables numériques sélectionnées par le discret Pnormale/Préduite (identique à celui utilisé par l'étage précédent). La puissance de crête de sortie est ainsi asservie pulse par pulse à une valeur telle que le signal détecté en sortie d'ampli vidéo 22 soit égal ou sensiblement égal à la valeur de consigne. La puissance de sortie RF dépend notamment du gain de l'ampli vidéo, lequel est maîtrisé par sa commande de gain issue d'une table 29 numérisée indexée en fréquence, température et PNR. C consigne \ 2 Prête A x K avec K: qui varie selon la sensibilité en fréquence et en température du système de détection et éventuellement des éléments (circulateur, filtre HAR etc.) hors boucle d'asservissement intercalés entre le coupleur de prélèvement de la puissance de sortie (21) et la sortie RF de l'ampli vidéo. A: le gain de l'ampli vidéo est contrôlé par le système et élaboré à partir d'une table numérisée indexée en fréquence, température et PNR. Il compense l'effet de K. Pour que Pcrête soit constant, il faut que le produit A K soit constant. La valeur de consigne: réalisée à l'aide d'une référence de tension. Le discriminateur de niveaux va élaborer 2 informations P trop forte et P trop faible à partir de 2 valeurs seuils MAX et MIN (fraction de la tension de référence). L'écart de tension entre MAX et MIN va créer I'hystérésis nécessaire pour faire converger l'asservissement et déterminer ainsi la précision de l'asservissement. L'étage de pré-modulation contrôlé en rapport de puissance sur bruit PNR permet d'obtenir des signaux modulant de l'étage asservi très voisin, que l'on soit en P normale ou en P réduite car le gain de l'étage RF asservi reste quasi constant. Ceci permet d'obtenir un temps de passage de puissance normale vers puissance réduite et inversement minimum sachant que ce dernier dépend du nombre d'impulsions à émettre et de la valeur d'un pas de correction du potentiomètre de contrôle du niveau de modulation. Les figure 2A et 2B représentent les chronogrammes des signaux de commande et de modulation en divers points de la chaîne d'amplification. En partant du haut, on a représenté selon l'axe des temps: Pour les traitements PN/PR le signal de synchronisation, la commande alimentation des différents transistors de la chaîne, 25 la commande PN/PR, le signal de modulation du premier étage, le signal de modulation du deuxième étage, la puissance obtenue en sortie du premier étage, la puissance obtenue en sortie du deuxième étage, Pour le traitement puissance crête le signal de synchronisation, le signal de modulation, la puissance en sortie de l'étage 3, Pour le traitement largeur le signal de synchronisation, le signal de modulation, la puissance de sortie d'étage 3. La figure 3 représente un transistor LDMOS fonctionnant en 10 régime impulsionnel en amplification RF de puissance. La grille G du transistor reçoit le signal modulé en fréquence et est alimentée par une alimentation de grille. Le drain D est relié à une alimentation DC au moyen d'un commutateur 31 faible perte. Le commutateur 31 est commandé au moyen du signal de synchronisation sync d'émission du signal modulé. Le courant de drain n'est présent que lorsque le drain est alimenté. Un dispositif d'écrêtage bi-directionnel rapide de tension, 33, valeur comprise entre l'alimentation crête du drain et la tension de claquage drain source du transistor LDMOS, offre une protection efficace contre les surtensions inhérentes à ce type de fonctionnement. La capacité 34 permet un découplage RF. L'énergie instantanée nécessaire est fournie par une capacité réservoir 32 de forte valeur calculée en fonction du taux de charge de l'émetteur et faible résistance en série. La capacité est choisie afin de minimiser les pertes. Le commutateur faible perte est réalisé par exemple à partir de transistors MOSPOWER. Il est donc facilement réalisable et offre toutes les qualités de tenue au courant de drain crête élevé et de faibles pertes L'alimentation VG de la grille peut être: É une tension continue variable de commande de gain, par exemple un 30 ampli à gain variable, É un signal de modulation pour un étage utilisé comme un modulateur. La tension de grille est contrôlable en amplitude, ajustage du courant de drain de repos, ajustage du gain RF de l'étage. REVENDICATIONS 1 Dispositif de contrôle d'au moins 2 niveaux de puissance crête pour un 5 amplificateur fonctionnant en mode impulsionnel caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants: un étage de pré-modulation comportant au moins: É un premier étage amplificateur, comprenant au moins un amplificateur (1) et un dispositif de traitement (6) adapté à fournir un signal de 10 forme carrée à l'amplificateur (1), É un deuxième étage amplificateur, comprenant au moins un amplificateur (7) et un dispositif de traitement (9) adapté à fournir un signal ayant une forme sensiblement identique à la forme de la modulation appliquée, Un étage asservi en puissance comportant au moins: É un coupleur et détecteur (11) pour prélever une partie du signal en sortie de la chaîne d'amplification et l'envoyer vers un amplificateur vidéo (22), É un détecteur de crête (24) et un discriminateur de niveau (25) adaptés 20 à générer un signal de modulation vers un amplificateur (20), É des moyens d'alimentation (21, 22, 23) des amplificateurs. 2 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le premier étage 25 d'amplification comprend un transistor LDMOS utilisé en classe AB avec une alimentation de drain impulsionnel. 3 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gain du premier étage amplificateur est contrôlé par une tension continue variable générée à partir de tables numériques adressées en fonction de la fréquence à émettre et du rapport Puissance normale/Puissance réduite. 4 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le deuxième 5 étage d'amplification comprend un transistor LDMOS utilisé en classe AB avec alimentation de drain impulsionnel. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gain de l'étage est contrôlé par une tension modulée d'amplitude variable. 6 Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend 2 tables numériques adressées en fonction de la fréquence à émettre et du discret Pnormale/Préduite. 7 - Procédé pour contrôler ou générer au moins deux niveaux de puissance crête dans une chaîne d'amplification fonctionnant en mode impulsionnel caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes: É générer un signal de forme carrée ou sensiblement carrée et appliquer le signal à un premier amplificateur, É générer un signal de modulation ayant une forme sensiblement identique au signal à amplifier et l'appliquer à une deuxième étape d'amplification, É générer un signal de niveau puissance crête et largeur contrôlée et l'appliquer au signal issu de la deuxième étape d'amplification.