Brevet FR3020905A1 — publié le 20151113

SYSTEME D'AMPLIFICATION RADIOFREQUENCE Domaine de l'invention La présente invention concerne un amplificateur radiofréquence du type utilisé en téléphonie mobile et plus particulièrement un amplificateur radiofréquence multifréquences ou multi-porteuses. Arrière plan technologique Aujourd'hui la technologie appelée « MCPA » soit des amplificateurs radio fréquences multi-porteuses s'est largement généralisée dans le domaine des réseaux sans fil mobile commercial grâce à son avantage en termes de coût et d'efficacité énergétique. Cependant pour certaines utilisations, le principal désavantage de ce système est le manque de fiabilité lié à la robustesse de l'étage amplificateur. En effet comme plusieurs porteuses sont amplifiées par un seul et même amplificateur, lorsque ce dernier vient à cesser de fonctionner, toutes les porteuses amplifiées par celui-ci viennent à en être affectées. Certains secteurs d'activité sont réticents quant à l'utilisation de cette technologie. Pour garantir une transmission fiable, ils préfèrent utiliser un seul amplificateur par porteuse quitte à prévoir un système redondant dans le cas de transmission critique. Les principaux impacts de ce genre de système sont donc un coût budgétaire et un coût énergétique élevés. Brève description de l'invention Le dispositif selon l'invention permet de réduire, voire de remédier à ces désavantages mais aussi d'améliorer les performances des amplificateurs radiofréquences. Pour ce faire, l'invention propose un système d'amplification radiofréquence qui comprend au moins deux branches d'amplification de puissance indépendantes. Chaque branche est pourvue d'étages d'amplification et d'un circuit isolateur de sortie, et pour lequel un étage de couplage RF combine les signaux desdites branches en aval des circuits isolateurs. Préférablement, en aval de l'étage de couplage RF, l'amplificateur comporte 5 au moins un étage diviseur adapté à fournir une sortie signal et une sortie de prélèvement. Avantageusement, en amont de l'étage de couplage RF, chaque branche comporte au moins un étage diviseur adapté à fournir une sortie signal et une sortie de prélèvement. 10 Selon un mode de réalisation particulier, un étage coupleur combine les sorties prélèvement. Selon un mode de réalisation complémentaire ou alternatif, les sorties prélèvement comportent des voies de prélèvement indépendantes ainsi que recombinées. 15 Avantageusement, un étage coupleur diviseur d'entrée alimente les branches indépendantes à partir d'une entrée unique. Selon un mode de réalisation particulier, un circuit de réglage de phase et/ou de gain est disposé entre l'étage diviseur d'entrée et un premier étage d'amplification d'au moins une desdites branches. 20 Le circuit de réglage de phase et/ou de gain est avantageusement piloté par un calculateur en sorte d'optimiser la réduction des produits d'intermodulation d'ordre pair en sortie des branches. L'entrée signal du système de l'invention est préférablement issue d'un calculateur. 25 Les étages de couplage et/ou étages diviseurs sont préférablement réalisés au moyen de coupleurs RF, coupleurs hybrides et/ou coupleurs directionnels. Selon un mode de réalisation particulier, des voies de prélèvement issues d'étages diviseurs en sortie des branches d'amplification sont reliées à des boucles de retour connectées à des modules d'ajout d'une pré-distorsion RF en 30 entrée desdites branches d'amplification. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: un schéma de principe d'un système d'amplification de l'art 5 antérieur; en figure 2: un schéma de principe d'un système d'amplification selon un premier mode de réalisation de l'invention; en figure 3: un schéma de principe d'une système d'amplification selon la figure 1 comportant en outre un circuit de prélèvement; 10 en figure 4: un schéma de principe d'un système d'amplification selon la figure 1 comportant des circuits de prélèvement par branche; en figure 5: un schéma de principe d'un système d'amplification selon la figure 4 comportant un circuit déphaseur et/ou atténuateur d'entrée sur l'une des branches; 15 en figure 6: un schéma de principe d'un système d'amplification selon la figure 5 comportant un dispositif de sélection des sorties prélèvement; en figure 7: un schéma d'application avec correction de pré-distorsion; en figure 8: un schéma d'une réalisation à quatre voies selon l'invention; en figure 9: une variante du schéma de la figure 5. 20 Description détaillée de modes de réalisation de l'invention L'invention concerne les amplificateurs RF de puissance de type MCPA (amplificateur de puissance à porteuses multiples). Un exemple d'un tel amplificateur selon l'art antérieur tel que représenté en figure 1 comporte généralement de deux à trois étages, un premier étage 25 optionnel d'amplification appelé selon les terminologies anglo-saxonnes en vigueur dans le domaine "pré-driver", un deuxième étage appelé "driver" 1 et un troisième appelé "final" 2. Ces différents étages comportent typiquement chacun deux transistors 3, 4 pour le driver et 5, 6 pour l'étage final montés en quadrature afin d'améliorer la 30 linéarité de l'amplificateur. Dans certaines utilisations comme les amplificateurs de type Doherty, amplificateurs radiofréquences de classe B modifiés, les transistors composant l'étage final peuvent être plus nombreux afin d'améliorer le rendement énergétique. De plus ils sont polarisés différemment, une branche se chargeant de l'amplification de porteuse et l'autre de l'amplification de crête, et ce sont parfois des transistors de puissance différents. Toujours selon la figure 1, dans le cas d'une correction par pré-distorsion 5 numérique en temps réel (digital pre-distortion en anglais) ou dans le cas d'une correction de type feedforward selon la terminologie anglo-saxonne, la sortie de l'étage final est prélevée par un coupleur directionnel 7 afin d'être analysée pour pouvoir améliorer la correction des non linéarités en temps réel. On trouve ensuite un isolateur de sortie 8 chargé d'isoler le montage des perturbation extérieures en 10 ajoutant une réjection des interférences pouvant revenir de la sortie. Cet isolateur devient un élément dont la linéarité est critique du fait qu'il est exclu de la boucle de correction. La présente invention propose de monter les étages d'amplification successifs selon des voies séparées et d'inclure un isolateur par voie avant 15 recombinaison au lieu de le laisser en sortie de l'ensemble après la recombinaison. Le principe de base de l'invention est décrit en figure 2. Selon cette figure, un coupleur diviseur RF 3dB 200 reçoit le signal à amplifier sur l'une de ses voies d'entrée E 200a et divise ce signal en deux sur ses voies de sortie en quadrature 20 200c, 200d qui sont reliées à des voies d'amplification 100a, 100b pourvues chacune d'étages d'amplification successifs. Le coupleur diviseur 200 reçoit sur une seconde entrée une charge adaptée 201 de manière connue en soi. Selon l'exemple, la voie 100a comporte un étage driver 110a et un étage 25 final 111a et la voie 100b comporte un étage driver 110b et un étage final 111b. Chaque voie est suivie selon un premier aspect de l'invention par un circuit isolateur 120a, 120b de type circulateur et les signaux en quadrature sont envoyés sur des entrées 130a, 130b d'un coupleur de sortie 130 de type coupleur hybride où ils sont remis en phase et additionnés pour sortir sur la première voie de sortie 30 130c du coupleur vers la sortie S de l'amplificateur, la seconde voie de sortie 130 d du coupleur donnant sur une charge adaptée 131. Un tel montage comporte plusieurs avantages. Selon le principe de l'invention, en cas de défaillance de l'un des transistors d'une des branches, les isolateurs assurent que l'autre voie puisse continuer à fonctionner de façon correcte. En cas de défaillance de l'une des deux voies, le signal de sortie n'est donc 5 pas supprimé et l'amplificateur peut délivrer un quart de la puissance totale normalement fournie par les deux voies. En effet, la voie qui fonctionne délivre la moitié de la puissance de l'amplificateur et la moitié de cette puissance est renvoyée par le coupleur 130 vers l'isolateur de la voie en panne et donc perdue alors que l'autre moitié de cette 10 puissance émise est transmise en sortie de l'équipement. Grâce au montage de l'invention, il est simple de dédier une voie à l'amplification des signaux de porteuse, l'autre voie à l'amplification des signaux de forte amplitude pour réaliser une amplification de type Doherty en jouant sur les polarisations des étages de chaque voie. 15 Dans le cas d'un amplificateur piloté numériquement, le fonctionnement des voies peut notamment être adapté en temps réel par l'usage de moyens de polarisation pilotés par le système d'émission numérique et l'on peut ainsi en faisant varier la polarisation des étages d'amplification passer d'un système pour lequel les deux voies amplifient la totalité du signal à un système pour lequel une 20 voie est dédiée à l'amplification des crêtes de signal, l'autre voie amplifiant les signaux de porteuse ou encore adapter la polarisation pour couper une voie dans le cas de signaux faibles à transmettre pour réduire la consommation de l'amplificateur et améliorer le ratio signal émis sur courant de polarisation ce qui réduit en outre la dissipation thermique de l'amplificateur et accroît ainsi sa MTBF 25 (temps moyen avant défaillance). Dans un mode de réalisation selon la figure 3, un coupleur diviseur de prélèvement 140 entre -10dB et -30dB permet de séparer la sortie S d'une sortie de prélèvement P après la recombinaison des signaux des deux branches par le coupleur 130 disposé après les isolateurs 120a, 120b de chaque branche. Comme 30 pour les autres coupleurs, les voies inutilisées 130d et 140b des coupleurs 130 et 140 sont chargées par des charges adaptées 131, 141. Le prélèvement permet d'assurer une correction du signal par exemple par pré-distorsion ou de réaliser une mesure en temps réel de la sortie. Dans l'exemple de la figure 4, au lieu de prélever le signal de sortie après recombinaison, l'invention prévoit de réaliser un prélèvement au moyen de coupleurs directionnels 150a, 150b, de prélèvement d'atténuation entre 10dB et 30dB sur chaque voie après les isolateurs 120a, 120b. Les coupleurs directionnels 5 150a, 150b comportent respectivement des sorties signal Sa, Sb et des sorties prélèvement Pa, Pb. Les sorties signal Sa, Sb sont combinées par un étage coupleur 155 notamment de type coupleur hybride 3dB pour donner un signal de sortie S alors que les signaux prélevées en Pa, Pb sont combinés par un étage coupleur 160 notamment de type coupleur hybride 3dB pour donner une sortie 10 prélèvement unique P. Les prélèvements peuvent être traités séparément ou recombinés comme représenté en figure 6 qui propose un montage pour lequel des interrupteurs 180a, 180b de type commutateurs analogiques permettent de choisir entre des sorties prélèvement séparées Pva, prélèvement voie A, Pvb, prélèvement voie B 15 ou une sortie prélèvement unique P par recombinaison des prélèvements des deux voies au niveau d'un coupleur 162. Les prélèvements Pva et Pvb permettent d'observer les voies séparément ou, dans le cas d'une voie défaillante, d'observer la voie restant en fonctionnement. 20 La figure 5 représente une variante de la figure 4 pour laquelle un circuit de réglage de phase et/ou de gain 170 est incorporé dans l'une des branches. Ce circuit, qui peut être piloté numériquement, permet d'affiner le réglage de la quadrature entre les voies ce qui permet d'équilibrer les voies et de réaliser une première correction des harmoniques impaires. 25 En s'assurant de pouvoir récupérer le prélèvement de chaque voie indépendamment ainsi que recombiné comme pour la figure 6, il est possible, en incluant le réglage de phase et/ou de gain 170 réglé en continu par le système dans toutes les branches moins une, d'optimiser la mise en phase et en gain des voies et d'assurer ainsi une meilleure annulation des produits d'intermodulation 30 d'ordre pair. Par extension de ce principe, il est possible de créer dans le cas d'une correction numérique de la linéarité, deux ou plusieurs chaînes indépendantes depuis la conversion numérique analogique jusqu'à la recombinaison du signal de puissance afin de corriger les voies indépendamment mais à un coût bien plus élevé du fait de la multiplication des chaines de conversion numérique analogique et de la puissance de calcul nécessaire. La figure 7 correspond à un système avec boucle de retour pour une 5 correction de type pré-distorsion. Le DSP 310 adapte le signal BF à envoyer en entrée E de l'amplificateur en lui ajoutant une pré-distorsion opposée à la distorsion théorique de l'amplificateur. La boucle de retour renvoie le signal de sortie réel qui, une fois démodulé est comparé au signal pur à émettre. La différence mesurée est utilisée pour 10 adapter la pré-distorsion pour corriger les imperfections réelles de l'amplificateur. Le circuit de traitement de signal 310 dit "DSP" peut notamment être la combinaison d'un processeur classique ou d'un DSP et d'un composant de type FPGA. Le DSP reçoit les échantillons du signal sous forme numérique N. Ces 15 échantillons sont mise en forme dans le DSP avec des algorithmes de filtrage, de réduction de facteur de crête ou autres puis pré-distordus par un algorithme de pré-distorsion numérique et envoyés vers le convertisseur numérique analogique 210. Le convertisseur est suivi de manière connue par un filtre 215 pour rejeter 20 les images générées par le convertisseur D/A puis d'un modulateur 220 qui sert à moduler une porteuse générée par un oscillateur 230 avec le signal issu du convertisseur. Le modulateur est suivi par un filtre passe bande 225, pour rejeter les images générés par le modulateur, et éventuellement un étage de contrôle de gain 25 226 qui contrôle le gain total de l'amplificateur. Ensuite le signal est divisé en deux dans le coupleur 200 pour être amplifié dans les voies séparées selon l'invention. Comme dans la figure 5, un réglage de phase et/ou de gain 170 piloté par le calculateur ou DSP 310 est réalisé pour améliorer la quadrature entre les voies. 30 Les voies comportent comme dans les exemples précédents des étages d'amplification et des isolateurs 120a, 120b avant les coupleurs de recombinaison et de prélèvement. Selon cet exemple deux coupleurs directionnels de prélèvement 191a, 191b reçoivent chacun le signal d'une voie et le distribuent d'une part vers un coupleur de sortie 155 et d'autre part sous forme atténuée vers des interrupteurs commandés 181a, 181b discutés plus bas. Dans la boucle de retour qui reçoit le signal de prélèvement Pr se trouve un filtre et/ou atténuateur 260 un démodulateur 240 recevant une porteuse générée par un oscillateur 250, un second filtre 261 et un convertisseur analogique/numérique 270. Le prélèvement Pr passe dans le filtre de bande et un ajustement de gain 10 260 afin que la chaine de prélèvement garde un gain quasi constant selon la température. Le prélèvement passe ensuite dans un mixer 240 pour enlever la porteuse au moyen d'une fréquence issue de l'oscillateur 250 puis dans le filtre antirepliement 261 avant d'entrée dans le convertisseur A/D 270. 15 Le convertisseur fournit des données représentant le signal basse fréquence reçu nettoyé et démodulé issu du prélèvement Pr. Ces données sont apportées au processeur numérique de signaux DSP 310 qui va calculer une pré-distorsion de compensation de la distorsion issue de l'amplificateur. Cette chaine a deux fonctions réalisées par le DSP: 20 - analyser le signal de sortie pour faire converger l'algorithme de pré distorsion numérique (Digital Pre-Distortion DPD) pour qu'il réalise au mieux la linéarisation de l'ensemble, - analyser le signal de sortie pour ajuster le gain et la phase de la seconde voie au travers d'un deuxième convertisseur 25 numérique/analogique 211 et un dispositif de réglage de phase et/ou de gain 170 afin de réaliser au mieux la quadrature. Cela peut se faire en maximisant la puissance qui sort du prélèvement ou par des méthodes basées sur l'analyse du signal et de sa cohérence par rapport au signal d'entrée du système. 30 Le DSP peut de plus choisir le prélèvement utilisé afin de pouvoir continuer à fonctionner en mode dégradé. Pour ce faire, des interrupteurs commandés 181a, 181b, 183 sont pilotés par des sorties de commande C1, C2, C3. Les interrupteurs 181a, 181b reçoivent des signaux de prélèvement Pa, Pb issus des coupleurs directionnels de prélèvement 191a, 191b en sortie des voies amplifiées et dirigent, en fonction de signaux de commande C1, C2 émis par le calculateur ou DSP 310, soit ces signaux vers un coupleur 195 qui recombine les voies prélevées Pa, Pb en un signal P, soit vers un interrupteur trois voies 183 qui en fonction d'un signal de commande C3 émis par le calculateur ou DSP 310 sélectionne un signal Pr parmi Pa, Pb et P. Il est aussi possible en ajoutant un moyen de contrôle de la linéarité, du gain et de la phase et/ou de gain 170 dans chaque branche d'utiliser les 10 prélèvements Pa et Pb pour contrôler les paramètres de chaque branche. La figure 8 correspond à une réalisation à quatre voies recombinées deux à deux. Au niveau de l'entrée, le dispositif comporte une cascade d'étages diviseurs réalisés au moyen de coupleurs hybrides 3dB, un premier étage diviseur 400 15 alimente deux étages diviseurs 410a, 410b chacun alimentant deux voies, une première voie comportant les étages d'amplification 420a, 421a, 422a et une deuxième voie comportant les étages d'amplification 420b, 421b, 422b pour le coupleur diviseur 410a et une troisième voie comportant les étages d'amplification 420c, 421c, 422c et une quatrième voie comportant les étages d'amplification 20 420d, 421d, 422d pour le coupleur diviseur 410b. Les deuxième et troisième voies comportent chacune selon l'exemple un dispositif de réglage de phase et/ou de gain 415a, 415b. Les quatre voies sont munies en sortie d'amplification d'isolateurs de type circulateur 430a, 430b, 430c, 430d suivis par des coupleurs directionnels de 25 prélèvement 440a, 440b, 440c, 440d séparant une sortie signal Sa, Sb, Sc, Sd d'une sortie prélèvement atténuée Pa, Pb, Pc, Pd. Les sorties Sa, Sb sont alors combinées dans un coupleur 450a alors que les sorties Sc, Sd sont combinées dans un coupleur 450b, les sorties de ces deux coupleurs étant ensuite combinées dans un coupleur 470 pour donner un signal S 30 de sortie unique. De même les sorties prélèvement sont combinées deux à deux puis recombinées pour donner une sortie prélèvement unique p avec des coupleurs 460a, 460b puis 480. Comme dans le cas de la figure 8, des prélèvements intermédiaires peuvent être utilisés pour piloter les dispositifs 170a, 170b de réglage de phase, linéarité et/ou gain. La figure 9 décrit un système pour lequel les voies de prélèvement Pa, Pb 5 issues des étages diviseurs 150a, 150b en sortie des voies d'amplification sont utilisées comme signaux de correction pour des modules 500a, 500b d'ajout d'une pré-distorsion RF. Pour ce faire, les voies de prélèvement Pa, Pb des branches d'amplification sont reliées aux modules 500a, 500b qui adaptent la pré-distorsion RF nécessaire 10 à la compensation des branches d'amplification. La sortie de prélèvement Pa de la branche d'amplification 100'a est reliée au module de pré-distorsion RF 500a, la sortie de prélèvement Pb de la branche d'amplification 100'b est reliée au module de pré-distorsion RF 500b Dans ce cas, le signal permettant le pilotage du dispositif de réglage de 15 phase 170 par le système numérique auquel est raccordé l'amplificateur est prélevé au moyen d'un coupleur de prélèvement 490 après la recombinaison des voies d'amplification par le coupleur 155. Le coupleur de prélèvement 490 comporte une voie de sortie S et une voie de prélèvement P atténuée par rapport à la voie de sortie. 20 L'amplificateur de l'invention qui apporte une redondance des voies d'émission est adapté à des applications multi-porteuses, permet de gagner en efficacité énergétique et offre une gestion plus précise des corrections de distorsion. Les coupleurs hybrides 3dB, les coupleurs diviseurs de prélèvement -10dB 25 à -30dB et autres composants sont choisis pour être adaptés à la puissance de l'amplificateur, les coupleurs de sortie tenant notamment une puissance supérieure aux coupleurs d'entrée. L'invention n'est pas limitée aux exemples représentés et notamment le nombre d'étages de chaque voie peut être différent de deux ou trois. De même 30 d'autres types de correction que la correction à pré-distorsion sont réalisables dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1 - Système d'amplification radiofréquence caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux branches (100a, 100b) d'amplification de puissance indépendantes, chaque branche étant pourvue d'étages d'amplification (110a, 111a, 110b, 111 b) et d'un circuit isolateur de sortie (120a, 120b) et pour lequel un étage (130, 155, 470) de couplage RF combine les signaux desdites branches en aval des circuits isolateurs (120a, 120b). 2 - Système d'amplification radiofréquence selon la revendication 1 pour lequel en aval de l'étage de couplage RF l'amplificateur comporte au moins un étage diviseur (140) adapté à fournir une sortie signal et une sortie de 10 prélèvement. 3 - Système d'amplification radiofréquence selon la revendication 1 pour lequel en amont de l'étage de couplage RF chaque branche comporte au moins un étage diviseur (150a, 150b, 191a, 191b, 440a, 440b, 440c, 440d) adapté à fournir une sortie signal et une sortie de prélèvement. 15 4 - Système d'amplification radiofréquence selon la revendication 3 pour lequel un étage coupleur (160, 195) combine les sorties prélèvement. 5 - Système d'amplification radiofréquence selon la revendication 3 pour lequel les sorties prélèvement comportent des voies de prélèvement indépendantes (151a, 151b) ainsi que recombinées (161). 20 6 - Système d'amplification radiofréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour lequel un étage coupleur diviseur d'entrée (200) alimente les branches indépendantes à partir d'une entrée unique. 7 - Système d'amplification radiofréquence selon la revendication 6 pour lequel un circuit de réglage de phase et/ou de gain (170) est disposé entre l'étage 25 diviseur d'entrée (200) et un premier étage d'amplification (110b) d'au moins une desdites branches (100a, 100b). 8 - Système d'amplification radiofréquence selon la revendication 7 pour lequel le circuit de réglage de phase et/ou de gain (170) est piloté par un calculateur 310 en sorte d'optimiser la réduction des produits d'intermodulation 30 d'ordre pair en sortie des branches. 9 - Système d'amplification radiofréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel l'entrée signal est issue d'un calculateur 310. 10 - Système d'amplification radiofréquence selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes pour lequel les étages de couplage et/ou étages diviseurs sont réalisés au moyen de coupleurs RF, coupleurs hybrides et/ou coupleurs directionnels. 11 - Système d'amplification radiofréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel des voies de prélèvement (Pa, Pb) issues 10 d'étages diviseurs (150a, 150b) en sortie des branches d'amplification sont reliées des boucles de retour connectées à des modules (500a, 500b) d'ajout d'une pré-distorsion RF en entrée desdites branches d'amplification.