Brevet FR3002708A1 — publié le 20140829

Système d'amplification de signaux La présente invention concerne un système d'amplification de signaux en émission dont la bande d'étalement des fréquences est importante typiquement de plusieurs octaves, (plus de quatre par exemple) et/ou peut varier dans le temps. Ce type de système est utilisé en particulier dans des systèmes comportant un ensemble de capteurs ayant des fonctions différentes ou comportant un ensemble d'antennes. Les signaux en provenance des différents capteurs ont généralement une bande d'étalement des fréquences variable dans le temps. On connait des systèmes permettant l'amplification de signaux, dont la bande d'étalement des fréquences est importante. Cependant, ces systèmes ont l'inconvénient de provoquer un excès de consommation énergétique, lorsqu'ils sont utilisés pour l'amplification de signaux ayant une bande d'étalement des fréquences étroite typiquement moins d'une octave. Dans le cas de signaux ayant une bande d'étalement des fréquences étroite, le rendement de ces systèmes est alors très mauvais, il est alors nécessaire d'augmenter la puissance des circuits d'émission. Cette augmentation engendre une nécessité de refroidir ces systèmes, dispositif de refroidissement qui est également consommateur d'énergie. Il est connu des systèmes comportant un ensemble de capteurs ayant des fonctions différentes ou comportant un ensemble d'antennes et qui répartissent les signaux reçus dans différentes sous-bandes. Ces systèmes amplifient alors les signaux par sous-bandes. Cependant ces systèmes ne sont pas adaptatifs en fréquences et/ou en puissance et rendement, et ne peuvent donc pas s'adapter à l'amplification de signaux dont la bande d'étalement des fréquences n'est pas connue a priori. La commutation de classe est une opération connue pour augmenter le rendement des amplificateurs. La présente invention vise donc à remédier à ces problèmes en proposant un système d'amplification adaptatif à la fois en fréquence et en puissance, et en forme de signal (par forme de signal on entend classe, type de modulation ou type d'impulsion), dont le rendement est optimal pour un ensemble de bande d'étalement des fréquences. Ainsi il est proposé, selon un aspect de l'invention, un système d'amplification de signaux d'entrée comportant au moins deux moyens d'amplification différents des signaux d'entrée. Le système comporte aussi un moyen de sommation des signaux amplifiés. Le système comporte aussi des moyens d'activation/désactivation dynamique d'un ou plusieurs des moyens d'amplification à parti des signaux d'entrée. Le système permet donc d'être adapté afin que le rendement soit optimal pour un ensemble de bandes différentes d'étalement des fréquences des signaux. Ainsi il est possible de choisir un des moyens d'amplification afin qu'il ait un rendement maximal pour un signal ayant une bande d'étalement des fréquences importante. Pour l'autre moyen d'amplification, il est possible de le choisir afin qu'il ait un rendement maximal pour un signal ayant une bande d'étalement des fréquences étroite. Ensuite les signaux amplifiés par les deux moyens d'amplification peuvent être sommés, ce qui permet au système d'être relié à une unique antenne. Les moyens d'extinction permettent eux de n'utiliser, à un instant donné, que les moyens d'amplification utiles. Ceci permet donc de limiter l'énergie utilisée par le système et de limiter l'échauffement de ce système. De plus ce système tel que décrit dans l'invention est compact parce qu'il peut être totalement intégré sur une seule puce microélectronique. En particulier le système occupe un volume dont la dimension caractéristique est de l'ordre de grandeur de la taille de la maille de l'antenne (8mm dans le cas d'une antenne permettant d'émettre un signal dont la fréquence de modulation est de 18GHz.). La contrainte de compacité est encore plus importante lorsque l'on est en polarisation duale. Avantageusement le système comporte en outre des moyens d'adaptations placés avant les moyens d'amplifications, lesdits moyens d'activation/désactivation étant en autre adaptés pour l'activation/désactivation desdits moyens d'adaptation. Avantageusement le système comporte en outre des moyens de reconfiguration desdits deux moyens d'amplification. Selon une caractéristique technique, au moins deux des moyens d'amplification sont adaptés pour amplifier des signaux dont la bande d'étalement des fréquences est différente. Selon une caractéristique technique au moins deux des moyens 10 d'amplification sont réalisés en utilisant une technologie de fabrication différente. La fabrication peut être réalisée en SiGe, qui offre l'avantage d'un coût faible grâce à son utilisation intensive dans la téléphonie mobile et d'une 15 forte intégration du fait du nombre élevé de couches de métallisation. Par contre ses tensions d'alimentation faibles ne permettent pas de sortir des puissances importantes. La fabrication peut aussi utiliser la technologie GaN, qui permet de disposer de puissances de sortie plus importantes avec un coût plus élevé à cause de sa moindre diffusion, cette technologie étant 20 moins mature. Selon une caractéristique technique au moins deux des moyens d'amplification utilisent une classe de fonctionnement différente. 25 Une classe de fonctionnement des amplificateurs est représentée par une lettre qui permet de caractériser les amplificateurs de cette classe. On peut distinguer les classes sinusoïdales (A, AB, B, C) des classes commutées (D, E, F, S). Les classes sinusoïdales (A, AB, B, C) sont définies par la relation 30 entre la forme du signal d'entrée et celle du signal de sortie et par la durée pendant laquelle un composant actif est utilisé lors de l'amplification d'un signal. Cette durée est mesurée en degrés ou en pourcentage de la période d'un signal sinusoïdal test appliqué à l'entrée de l'amplificateur, 100% ou 360 degrés représentant un cycle complet. 3002 708 4 Pour les amplificateurs linéaires chaque classe définit la proportion du signal d'entrée qui est utilisée par chaque composant actif pour arriver au signal amplifié. Classe A : La totalité du signal d'entrée (100 %) est utilisée. 5 Classe B : La moitié du signal (50 %) est utilisée. Classe AB : Plus de la moitié mais pas la totalité du signal (50100 %) est utilisée. Classe C : Moins de la moitié (0-50 %) du signal est utilisée. Avantageusement les moyens d'activation/désactivation sont adaptés pour l'activation des moyens d'amplification pour lesquels les performances sont optimales pour un bande d'étalement des fréquences associée auxdits signaux d'entrée. Avantageusement les moyens d'activation/désactivation sont adaptés pour l'activation des moyens d'amplification pour lesquels les performances sont optimales pour une fréquence centrale associée auxdits signaux d'entrée Selon une caractéristique technique, au moins un des moyens d'amplification est adapté pour l'amplification de signaux constitués d'une porteuse pure modulée en phase et/ou amplitude et/ou fréquence et au moins un des moyens d'amplification et/ou lesdits moyens d'adaptation sont adaptés pour l'amplification de signaux constitués d'une succession d'impulsions L'intérêt de disposer d'un système d'amplificateurs hétérogènes est qu'il permet d'adapter dynamiquement le fonctionnement des amplificateurs au besoin et aux caractéristiques du signal à amplifier. Une émission continue modulée en phase et / ou en amplitude nécessite une alimentation constante. Une émission de pulse permet l'utilisation de réservoir d'énergie et s'apparente aux modulateurs. L'intérêt de disposer d'un système d'amplificateurs hétérogènes 35 est qu'il permet d'adapter dynamiquement le fonctionnement des 3002 708 5 amplificateurs au besoin et aux caractéristiques du signal à amplifier. Une émission continue modulée en phase et / ou en amplitude et/ou fréquence nécessite une alimentation constante. Une émission de pulse permet l'utilisation de réservoir d'énergie et s'apparente aux modulateurs. 5 La modification dynamique des circuits d'accord permet de faire du saut de fréquence et de s'adapter à la largeur de bande utile, en optimisant le rendement 10 Un changement dynamique de la fréquence centrale est aussi possible. Ce changement va permettre de s'adapter à la fréquence à émettre et de se prémunir de la génération des harmoniques inhérentes à l'émission large bande. 15 Selon une caractéristique technique le système comporte en outre des moyens de mesure de la température interne du système. De plus les moyens d'activation/désactivation sont adaptés pour activer/désactiver au moins un des moyens d'amplification lorsque la température interne du système dépasse un seuil de température et/ou les moyens de 20 reconfiguration sont adaptés pour reconfigurer aux moins un des moyens d'amplification lorsque la température interne dépasse un seuil de température. Cette caractéristique technique permet de prévenir le risque de la 25 surchauffe et de destruction du système. De plus elle permet de n'éteindre que certains des moyens d'amplification, lorsque le système est en surchauffe et permet au système de rester opérationnel. La surveillance de la température interne, programmée en fonction 30 de la technologie employée, permet de préserver le fonctionnement global et éviter une destruction du circuit, tout en délestant dynamiquement les fonctions jugées opérationnellement les moins critiques. Le choix des fonctions à délester est fait au cas par cas. La réduction de la puissance émise va diminuer la portée radar dans le ratio de 20% pour 3dB de baisse de puissance. Une adaptation dynamique la puissance émise pour les liaisons de données peut même permettre de diminuer la puissance émise et de l'adapter au juste nécessaire pour satisfaire le besoin de liaison. Selon une caractéristique technique le système comporte 5 également au moins une antenne active à balayage électronique permettant l'émission desdits signaux sommés. L'antenne active à balayage électronique est aussi connue sous l'appellation antenne réseau de modules actifs ou sous l'appellation anglaise 10 « AESA » pour « Active Electronically Scanned Array ». En Radar ou en télécommunication, une antenne à balayage électronique permet de diriger le faisceau de l'antenne dans une direction donnée en utilisant la mise en phase des signaux. Ceci permet de s'affranchir des moyens mécaniques de pointage. Une antenne réseau à 15 commande de phase un (phased array antenna en anglais) est un groupe d'antennes élémentaires alimentées avec des signaux dont la phase est ajustée de façon à obtenir le diagramme de rayonnement voulu. Généralement c'est un pointage du faisceau de l'antenne dans une direction donnée. Cette agilité de direction permet de pointer plusieurs cibles en 20 même temps (à l'échelle du déplacement des cibles). Il est aussi possible de créer plusieurs sous faisceaux à l'émission et / ou à la réception. Une antenne à balayage électronique passive réalise la formation du faisceau émis (ou reçu) grâce à un ensemble de dispositifs électroniques 25 tels que des déphaseurs, des commutateurs, des atténuateurs. Le signal à émettre est distribué par un réseau ou par rayonnement à un ensemble de modules comportant déphaseur et élément rayonnant. Les dispositifs d'amplification des signaux émis ou reçus sont réalisés à l'extérieur de l'antenne. 30 Une antenne à balayage électronique active correspond à une antenne passive dont les dispositifs d'amplification des signaux émis ou reçus sont inclus dans l'antenne. Elle peut également contenir des dispositifs électroniques avancés de réception, comme la conversion de fréquence ou le codage des signaux, les déphasages peuvent être réalisés part des 35 retards purs programmables. Par rapport à une antenne réseau, une antenne active est caractérisée par le fait que ces modules actifs sont placés entre les N éléments rayonnants et leurs sorties. L'ensemble de l'électronique est donc implémenté dans la maille du réseau. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée faite à titre d'exemple non limitatif et à l'aide des figures parmi lesquelles : La figure 1 présente un premier mode de réalisation du système présenté dans l'invention lo La figure 2 présente une comparaison entre les performances du système présenté dans l'invention et les systèmes de l'état de la technique La figure 3 présente un deuxième mode de réalisation du système présenté dans l'invention 15 La figure 4 présente un mode de réalisation des amplificateurs de puissance La figure 5 présente la puissance de sortie du troisième mode de réalisation du système La figure 6 présente le rendement du troisième mode de réalisation du 20 système La figure 7 présente le principe des commutations des dispositifs d'adaptation permettant de moduler dynamiquement la bande passante. La figure 8 présente les performances du dispositif lors d'un changement dynamique de la fréquence centrale d'émission. 25 La figure 9 présente les performances du dispositif lors d'un changement dynamique bande passante du signal amplifié. Le système décrit sur la figure 1 permet l'amplification d'un signal Ve entrant par la gauche du système et sortant en tant que signal amplifié Vs 30 par la droite du système. Ce système comporte quatre amplificateurs de puissance (101.A, 101.8, 101.0 et 101.D). Ces amplificateurs de puissance peuvent avoir des caractéristiques différentes. Par exemple les amplificateurs peuvent avoir une bande passante différente, une fréquence centrale différente et/ou une classe différente. Ils sont donc adaptés à 35 l'amplification de signaux de caractéristiques différentes. Le système figure 1 comporte également un dispositif 102 de sommation des différents signaux en provenance des différents amplificateurs de puissance. Cette sommation est réalisable par exemple en utilisant un dispositif connu sous le nom anglais de DAT pour « Distributed Active Transformer » ou transformateur à distribution active. Ce dispositif de sommation permet d'augmenter la puissance du signal de sortie en sommant les signaux en provenance des différents amplificateurs de puissance. Ce dispositif de sommation a cependant l'inconvénient de présenter des pertes d'insertion. Ces pertes d'insertion dépendent de la bande passante que doit passer le dispositif de sommation. Pour une bande passante allant de la fréquence 8.5GHz à la fréquence 10.5 GHz, les pertes d'insertion sont inférieures à 0.7dB. Pour une bande passante allant de la fréquence 4.5 à la fréquence 18 GHz, les pertes d'insertion sont inférieures à 3dB. Le système décrit sur la figure 1 comporte également un dispositif 103 permettant l'extinction d'un ou plusieurs amplificateurs, lorsque ceux-ci ne sont pas utilisés. Par exemple, lorsque le signal à amplifier ne possède pas des caractéristiques qui correspondent à un des amplificateurs, celui-ci peut-être éteint. Cette extinction permet en particulier de limiter la consommation du système d'amplification, elle permet aussi de limiter l'échauffement de ce système. Ce système comporte aussi un dispositif connu sous le nom anglais de Driver ou pré-étage d'amplification, qui permet de d'adapter et de convertir les paramètres de puissance et d'impédance. Ce pré-étage permet également de réaliser le rôle de pré-étage d'amplification qui fournit la puissance d'entrée nécessaire à l'étage de puissance et le complément de gain à l'amplificateur global. Ce système comporte aussi un dispositif appelé étage d'adaptation qui permet l'adaptation de l'impédance en sortie du driver avec l'impédance en entrée des dispositifs d'amplification. La figure 2 présente un graphique de la performance du système tel que présenté dans l'invention. La courbe en ligne discontinue présente la performance, exprimée par le rendement ou PAE pour « Power Added Efficiency » en anglais, des systèmes connus dans l'état de la technique en utilisant de la technologie GaN. La courbe pleine présente la performance du système suivant l'invention. 3002 708 9 Le système permet donc de disposer d'un meilleur compromis entre la largeur de bande et le rendement de l'amplification. De plus le système permet de s'adapter en fonction de la bande de fréquence utilisée. 5 Ce système permet donc l'amplification simultanée de deux types de signaux différents. Le premier signal peut par exemple avoir une forte puissance mais une bande restreinte d'étalement des fréquences. Ce type de signal est par exemple utilisé dans des radars connus sous l'acronyme anglais de SAR pour « Synthetic Aperture Radar ». Le deuxième signal peut par exemple 10 avoir une bande d'étalement des fréquences large, mais une faible puissance. Ce deuxième type de signal est par exemple utilisé pour des applications de type télécommunication. Le temps durant lequel le système amplifie le premier signal radar est de l'ordre de 10 à 20% du temps total. La puissance dans ce cas a besoin d'être maximale car l'atténuation en espace 15 libre varie en fonction de l'équation 1/R4 où R est la distance parcourue par le signal. La puissance nécessaire est donc supérieure à la puissance utilisée pour l'émission du deuxième signal de communication. En effet dans le cas du deuxième type de signal l'atténuation varie en fonction de l'équation 1/R2. Dans le cas du radar l'énergie est rétrodiffusée par la cible et 20 parcours deux fois le trajet. Dans le cas d'un signal de communication les pertes sont celles d'un trajet simple. On a donc besoin de plus d'énergie dans le cas du radar que dans le cas de la communication. Un mauvais rendement dans le cas du radar est plus pénalisant car il est multiplié par un chiffre significatif. Lorsque l'on utilise une puissance maximum, il est 25 important d'optimiser le rendement. Un tel système permet donc d'obtenir le meilleur compromis entre la bande d'étalement des fréquences que le système peut passer et le rendement du système. Ceci est obtenu par l'adaptabilité du système qui 30 permet d'optimiser le rendement en fonction de l'utilisation de la puissance. Ce système est donc adapté à une utilisation dans un système multifonctions. Pour des besoins de communication nous pouvons nous limiter à des circuits large bande de rendement faible; mais les puissances demandées sont aussi faibles et donc la perte en absolu est acceptable. Ce 35 système possède donc les avantages d'un circuit large bande sans en avoir l'inconvénient majeur, qui est un faible rendement dans le cas de l'amplification d 'un signal faible bande. Sur la figure 3, un capteur de température 301 est ajouté. Il permet de déconnecter automatiquement tout ou partie des amplificateurs de puissance dans le cas où la température interne dépasse un seuil. Ce seuil est fonction de la technologie et dépend de la température limite de jonction des transistors. Il sera fixé en tenant compte des capacités de refroidissement que l'on est capable d'installer autour de la puce. La figure 4 présente un mode de réalisation des différents amplificateurs de puissance. Dans ce mode de réalisation les différentes capacités Cp, Cl et CO permettent de déterminer la bande d'étalement des fréquences pour laquelle l'amplification du signal est optimale. La figure 5 présente la puissance du signal de sortie de ce troisième mode de réalisation du système. Dans ce mode de réalisation deux modes sont disponibles, un mode forte puissance et un mode puissance moyenne. Le mode puissance moyenne correspond à une puissance de 21 dBm et est utilisé dans une bande d'étalement des fréquences allant de la fréquence 4.5GHz à la fréquence 18 GHz. Le mode forte puissance correspond à une puissance de 36 dBm et est utilisé dans une bande d'étalement des fréquences allant de la fréquence 8.5GHz à la fréquence 10.5 GHz. La figure 6 présente le rendement du troisième mode de réalisation du système. Ce rendement est configurable et adaptable. Le rendement moyen est de 20% et est associé à une consommation de 0.3A. Ce rendement est présent entre la fréquence 4.5GHz et la fréquence 18GHz. Le rendement élevé est de 30% et est associé à une consommation de 3A. Ce rendement est présent entre la fréquence 8.5GHz et la fréquence 10.5GHz. Ce troisième mode de réalisation permet donc d'optimiser la 35 consommation et la dissipation thermique du système. Il est aussi possible afin d'améliorer les performances du système de faire commuter la classe des dispositifs d'application entre la classe A et la classe AB par exemple, en fonction des signaux à traiter. Dans un mode de réalisation les dispositifs d'adaptation sont activables et/ou reconfigurables de manière dynamique, d'une manière présentée figure 7. Ceci permet d'avoir un système d'amplification pouvant s'adapter à l'amplification d'un signal dont la fréquence centrale du signal évolue dans le temps (aussi connu comme signal ou système à saut de fréquence) et de s'adapter à la largeur de la bande utile du signal à amplifier, en optimisant le rendement. Cette fonction est réalisée par exemple par des commandes digitales 701 telles que représentées figure 7. Ainsi ce mode de réalisation permet un changement dynamique 15 de la fréquence centrale. Ce changement permet de « suivre ».la fréquence à émettre et de se prémunir de la génération des harmoniques inhérentes à l'émission large bande. Ceci est illustré en particulier sur la figure 8. Enfin il est aussi possible d'avoir des amplificateurs à bande 20 passante programmable en fonction par exemple du débit de transmission ou de la résolution souhaitée d'une image provenant d'un satellite utilisant un radar à synthèse d'ouverture (connu aussi sous l'acronyme anglais de SAR pour Synthetic Aperture Radar). Dans ce cas il est possible comme cela est présenté sur figure 9 d'adapter les amplificateurs à activer ou reconfigurer en 25 fonction de la bande passante utile REVENDICATIONS1. Système d'amplification de signaux d'entrée caractérisé en ce qu'il comporte ; - au moins deux moyens (101A et 101B) d'amplification différents desdits signaux d'entrée afin d'obtenir des signaux amplifiés - au moins un moyen (102) de sommation desdits signaux amplifiés - des moyens d'activation/désactivation (103) dynamique d'un ou plusieurs des moyens d'amplification à partir desdits signaux d'entrée 2. Système selon la revendication 1 comportant en outre des moyens d'adaptations placés avant les moyens d'amplifications, lesdits moyens d'activation/désactivation étant en autre adaptés pour l'activation/désactivation desdits moyens d'adaptation 3. Système selon la revendication 1 ou 2 comportant en outre des moyens de reconfiguration desdits deux moyens d'amplification 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel au moins deux desdits moyens d'amplification sont adaptés pour amplifier des signaux dont 20 la bande d'étalement des fréquences est différente. 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel au moins un desdits moyens d'amplification est réalisé en SiGe et au moins un autre desdits moyens d'amplification est réalisé en GaN. 25 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel au moins deux desdits moyens d'amplification utilisent une classe d'amplification différente. 7. Système selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel lesdits moyens 30 d'activation/désactivation sont adaptés pour l'activation des moyens d'amplification pour lesquels un rendement est maximal pour un bande d'étalement des fréquences associée auxdits signaux d'ent.eée 8. Système selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel lesdits moyens d'activation/désactivation sont adaptés pour l'activation des moyens d'amplification pour lesquels un rendement est maximal pour une fréquence centrale associée auxdits signaux d'entrée 9. Système selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel au moins un des moyens d'amplification est adapté pour l'amplification de signaux constitués d'une porteuse pure modulée en phase et/ou en amplitude et/ou en fréquence et au moins un des moyens d'amplification et/ou lesdits moyens d'adaptation sont adaptés pour l'amplification de signaux constitués d'une succession d'impulsion 10. Système selon l'une des revendications 1 à 9 comportant en outre des moyens de mesure (301) de la température interne dudit système et dans lequel lesdits moyens d'activation/désactivation (103) sont adaptés pour activer/désactiver aux moins un des moyens d'amplification lorsque ladite température interne dépasse un seuil de température et/ou lesdits moyens de reconfiguration sont adaptés pour reconfigurer aux moins un des moyens d'amplification lorsque ladite température interne dépasse un seuil de température 11. Système selon d'une des revendications 1 à 10 comportant en outre au moins une antenne (104) active à balayage électronique permettant l'émission desdits signaux sommés25