Brevet FR3045245A1 — publié le 20170616

AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE RADIO FREQUENCE A FAIBLE BRUIT ET SYSTEME D'EMISSION ET DE RECEPTION COMPORTANT UN TEL AMPLIFICATEUR. La présente invention concerne un amplificateur de puissance RF dans lequel le bruit émis est fortement réduit. Elle concerne également un système d'émission et de réception RF comportant un tel amplificateur. L'invention s'applique par exemple dans des systèmes d'émission et de 10 réception RF co-localisés appartenant à des réseaux de télécommunication différents, où chaque système est susceptible de polluer l'autre. Dans le domaine des télécommunications UHF ou VHF notamment, certaines missions imposent de placer en même endroit géographique des 15 systèmes d'émission et de réception appartenant chacun à un réseau propre, les deux réseaux étant indépendants et fonctionnant à des fréquences proches. On dit que ces systèmes sont co-localisée, ou on parle encore de systèmes en co-site. C'est le cas notamment lorsque deux antennes, et leurs moyens d'émission et de réception associés, sont disposés sur un même 20 véhicule. Il se produit alors un brouillage entre les deux systèmes et une dégradation de la portée. Plus particulièrement, dans une telle situation de proximité entre un émetteur d'un réseau et un récepteur d'un autre réseau, le récepteur est pollué par le bruit hors bande émis par l'émetteur. Les ordres de grandeur de puissance en jeu peuvent atteindre 5 Watts interceptés en 25 réception pour 50 Watts émis par l'émetteur. Dans les solutions connues pour résoudre ce problème de proximité géographique, le bruit d'émission est traité par filtrages multiples, consommateurs d'énergie et de volume dans les équipements, et sont par ailleurs coûteux. 30 Par ailleurs, les étages d'amplification de puissance, qui délivrent le signal à émettre, génèrent des bruits importants en pied de porteuse quand l'amplificateur travaille proche de sa saturation, et donc de son meilleur rendement. Ces bruits supplémentaires peuvent être considérables, bien supérieurs au bruit petit signal. 2 3045245 Enfin, le bruit du dernier étage de puissance peut ne pas pouvoir être filtré car la faisabilité de filtres très sélectifs n'est pas acquise à forte puissance. Même si ces filtres peuvent être réalisés, le rendement global de l'émetteur peut être considérablement réduit du fait des pertes dans ces filtres. 5 Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un amplificateur de puissance RF comportant au moins un transistor, ledit transistor comportant un circuit de contre-réaction déterminant son gain d'amplification, l'amplificateur comportant en outre un circuit de contre-réaction efficace dans une bande de fréquences de base dans laquelle du bruit est produit en sortie dudit transistor, de sorte qu'une partie du bruit de sortie est injectée en entrée dudit transistor. Dans un mode de réalisation possible, ledit circuit de contre-réaction est actif dans une bande de fréquence correspondant à une bande de fréquence autour de la porteuse du signal émis par ledit amplificateur dans laquelle on souhaite diminuer le bruit émis, la dite bande étant une transposition de ladite bande de fréquences de base. Ledit circuit de contre-réaction est par exemple relié entre la sortie et l'entrée 20 dudit transistors via des inductances, lesdites inductances étant passantes dans ladite bande de fréquences de base et isolante pour les autres fréquences. Ledit transistor étant un transistor à effet de champ, ledit circuit de contre-réaction basses fréquences est par exemple connecté au drain dudit 25 transistor via une première inductance et à la grille dudit transistor via une deuxième inductance. L'invention concerne également un système d'émission et de réception radio fréquences comportant un amplificateur de puissance tel que décrit 30 précédemment. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent : 3 3045245 La figure 1, un exemple d'amplificateur de puissance selon l'art antérieur ; La figure 2, une illustration de la génération du bruit d'un amplificateur de puissance RF transposé en pied de porteuse ; 5 La figure 3, un exemple de réalisation d'un amplificateur de puissance selon l'invention ; La figure 4, une illustration de la correction de bruit apportée par un l'invention ; La figure 5, une comparaison des bruits générés entre un 10 amplificateur selon l'art antérieur et un amplificateur selon l'invention. La figure 1 présente de façon schématique un amplificateur de puissance selon l'art antérieur. Celui comporte au moins un transistor Q1 destiné à 15 amplifier un signal d'entrée E, bas niveau. On considère par la suite, à titre d'exemple, un transistor à effet de champ. En cas de besoin, plusieurs transistors peuvent être interconnectés en parallèle pour fournir la puissance nécessaire. Une puissance typique dans le domaine des télécommunications UHF ou VHF est 50 Watts. Le transistor est relié à deux tensions de polarisation VD et VG. La première, VD, reliée au drain du transistor via une inductance L1 fournit la puissance électrique nécessaire à l'amplification. La seconde, VG, polarise la tension de grille du transistor via une résistance R2. Classiquement une boucle de contre-réaction 10, active en UHF et VHF, est connectée entre le drain et la grille. Cette boucle de contre-réaction 10 détermine notamment le gain RF de l'étage d'amplification formé par le transistor. Les signaux radiofréquence présents sur l'entrée E de l'amplificateur sont couplés à la grille du transistor via une capacité C. L'amplificateur génère un bruit qui est présent au niveau de l'antenne. Plus précisément, le bruit résultant au niveau de l'antenne est le bruit de sortie de l'amplificateur et plus particulièrement du transistor Q1. Comme il a été indiqué précédemment, le filtrage du bruit en sortie de l'étage de puissance n'est pas toujours possible. En particulier, en VHF on sait filtrer en sortie du transistor Q1 mais pas en UHF. 4 3045245 Le bruit en sortie du transistor Q1 est composé de deux types de bruit : - Un bruit classique, dit bruit thermique, fonction de la température et de répartition fréquentielle à peu près uniforme ; - Un bruit non classique, dit bruit électronique, dû au fonctionnement 5 des semi-conducteurs. En particulier, le niveau de bruit en sortie d'un amplificateur de puissance transistor augmente considérablement au voisinage de la saturation. Ce phénomène est particulièrement visible dans les montages à transistors en 10 classe AB. Le facteur de bruit équivalent, proche de la porteuse, peut être dégradé de 20 dB par rapport au fonctionnement petit niveau. Les deux phénomènes présentés ci-dessous peuvent expliquer ce deuxième type de bruit, non classique : 15 D'une part, pour les amplificateurs de classe AB, le courant augmente considérablement quand le transistor commence à s'auto-polariser. Le bruit de recombinaison des porteurs (bruit de grenaille, bruit en 1/f, f étant la fréquence, notamment) généré en bande de base se retrouve transposé en pied de porteuse par les non-linéarités. Le bruit 20 en 1/f en pied de porteuse est proportionnel au courant consommé et donc à la puissance moyenne émise pour un amplificateur de classe AB ; - D'autre part, un amplificateur proche de sa saturation devient non linéaire, et donc replie, détecte et transpose l'ensemble de sa bande 25 de bruit thermique en bande de base, puis transposer à nouveau ce bruit en pied de porteuse. Les essais et tests réalisés par la Déposante ont montré que ce bruit est essentiellement généré en sortie du transistor, sur la voie drain-source dans 30 le cas d'un transistor à effet de champ. Ce bruit n'est pas corrélé au bruit thermique en entrée du transistor. Le modèle classique de la source de bruit en entrée d'un amplificateur de puissance ne peut donc pas être pris en compte pour résoudre le problème posé. Avant d'exposer la solution apportée par l'invention, on illustre ci-après la 35 création de ce bruit généré en sortie du transistor. 5 3045245 La figure 2 illustre les effets des non-linéarités tels que décrits précédemment, se produisant lorsque l'amplificateur est proche de la saturation, à son meilleur rendement. Une première partie 1 montre, dans le domaine fréquentiel, la porteuse 21 du 5 signal émis, qui se distingue du plancher de bruit thermique 22. Une deuxième partie 2 montre le bruit de recombinaison des porteurs générés en bande de base 23, aux fréquences basses, ce bruit étant en 1/f. Les non-linéarités entraînent le repliement du spectre de bruit, en bande de base, comme l'illustre cette deuxième partie 2. 10 Une troisième partie 3 illustre la transposition du bruit généré en bande de base, en 1/f au pied 24 de la porteuse. Ce bruit ainsi transposé par les non-linéarités provoque un bruit 25 ajouté au pied de la porteuse 21 émis par l'amplificateur. Ce bruit, en 1/f, est proportionnel au courant consommé et donc à la puissance moyenne émise pour un amplificateur de classe AB. 15 Comme indiqué précédemment, la Déposante a mis en évidence le fait que ce bruit est essentiellement généré en sortie du transistor Q1. Plus précisément, la grille du transistor reste non bruitée alors que la source comporte le bruit. Le modèle classique de bruit d'un amplificateur de puissance prenant comme 20 hypothèse une entrée bruitée n'est donc pas adapté pour contrer ce bruit. La figure 3 illustre un exemple de réalisation d'un amplificateur selon l'invention. Pour supprimer le bruit 25 en pied de porteuse, ou au moins l'atténuer fortement, selon l'invention on ajoute une boucle analogique de 25 contre-réaction 30 en bande de base. Cela revient, à basse fréquence, à asservir la sortie S de l'amplificateur sur l'entrée E, moins bruyante. En d'autres termes, cela revient à injecter une partie du bruit de sortie en entrée du transistor de façon à annuler ce bruit. La boucle de bruit est active dans la bande de base 23, par exemple entre quelques centaines de kilohertz et 30 quelques mégahertz. En reprenant l'exemple de réalisation de la figure 1, la boucle de contre-réaction 30, que l'on appellera par la suite boucle de bruit, est connectée parallèlement à la boucle de contre-réaction classique 10, en ajoutant quelques composants ou circuits d'adaptation. 6 3045245 En particulier, cette boucle de bruit 30 est reliée entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur via des inductances de découplage 31, 32. Plus précisément, une première inductance 31 est connectée entre la boucle de bruit 30 et le drain du transistor Q1 et une deuxième inductance 32 est connectée entre la 5 boucle de bruit 30 et la grille du transistor. Ces inductances sont passantes en basses fréquences, dans la bande de base correspondant aux fréquences à filtrer, et isolent la boucle de bruits en hautes fréquences. En ce qui concerne la connexion aux tensions de polarisation VG, VD, la boucle de bruit est connectée d'un côté à la tension drain VD par un filtre 10 basse fréquences et radiofréquences, par exemple une inductance 34. Elle est connectée de l'autre côté à la tension de grille VG via la résistance de polarisation R2, déjà présente sur le montage de la figure 3. La boucle de bruit 30 est par exemple constituée d'un condensateur dont la valeur de capacité est adaptée aux fréquences de base. Plus précisément, la 15 capacité est calculée de façon à ce que la boucle de bruit soit active dans les bandes d'intérêt, dans les basses fréquences, correspondant à la bande de fréquence autour de la porteuse dans laquelle on souhaite diminuer le bruit émis. 20 La figure 4 illustre les effets de la boucle de bruit sur l'atténuation du bruit en pied de porteuse. La première partie 1 reprend, dans le domaine fréquentiel, le cas de la figure 2 avec la porteuse 21, le plancher de bruit thermique 22 et la bande de 25 fréquence de base. Les deux autres parties 2', 3' reprennent le spectre bruit 25 de bande de base de la figure 2 et le spectre du bruit 45 corrigé par la boucle de bruit 30. La deuxième partie 2' présente donc le bruit corrigé 45 avant transposition, avec une forte atténuation par rapport au bruit en 1/f non corrigé. 30 La troisième partie 3' illustre la transposition du bruit corrigé 45 en bande de base, au pied 24 de la porteuse. Le bruit corrigé étant fortement atténué, on retrouve cette atténuation au pied de la porteuse. 7 3045245 La figure 5 présente, sous une forme, l'atténuation obtenue sur le bruit généré en sortie du transistor Q1, vue de la sortie de l'amplificateur. Une première courbe 51 représente le gain du bruit en fonction de la fréquence sans boucle de bruit. Une deuxième courbe 52 représente le gain du bruit 5 pour un amplificateur de puissance selon l'invention, équipé de la boucle de bruit 30. Cette deuxième courbe 52 montre une forte diminution du bruit dans la bande de base 23, diminution que l'on retrouve au pied de la porteuse 21 comme l'illustre la figure 4. 10 Les figures 4 et 5 montrent clairement que l'invention permet de limiter considérablement le bruit vu de la sortie de l'amplificateur de puissance. En pratique, cette réduction du bruit en bande de base se traduit par une diminution importante de la dégradation du bruit en pied de porteuse apporté 15 par les non-linéarités et les bruits de recombinaison de porteur. La figure 4 montre notamment que le bruit résultant transposé en pied de porteuse se rapproche du bruit thermique classique. Les essais effectués par la Déposante ont montré que ces puissances de bruits 10 à 100 fois plus importantes sont mesurées en l'absence de la boucle de bruit 30. 20 Avantageusement, la présente invention peut être mise en oeuvre de façon très simple et économique. Il est en effet aisé et peu coûteux de mettre en parallèle une coule de contre-réaction basses fréquences en parallèle de la boucle de contre-réaction de gain classique. Dans une version simple, telle qu'illustrée par la figure 3, la contre réaction basses fréquences 30 est 25 insérée au niveau des découplages R2, 34 de la polarisation du transistor. L'invention a également pour avantage qu'elle est compacte, c'est-à-dire qu'elle n'augmente pas l'encombrement ou la surface occupée par l'amplificateur de puissance, ou de façon très limitée. Enfin, elle ne dégrade pas le rendement de l'amplificateur. Des essais réalisés par la Déposante, 30 ont montré en particulier qu'on peut atteindre avec un amplificateur selon l'invention une réduction de bruit de l'ordre de 15 dB du bruit en pied de porteuse ajouté et émis par l'amplificateur, sans filtrage, sans pertes, et donc sans perte de rendement. Avantageusement, on peut dans certains cas d'application supprimer le filtre de sortie habituellement utilisé pour les 35 applications en co-site. 8 REVENDICATIONS1. Amplificateur de puissance RF comportant au moins un transistor (Q1), ledit transistor comportant un circuit de contre-réaction (10) déterminant son gain d'amplification, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de contre-réaction (30) efficace dans une bande de fréquences de base (23) dans laquelle du bruit est produit en sortie dudit transistor, de sorte qu'une partie du bruit de sortie est injectée en entrée dudit transistor. 2. Amplificateur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit de contre-réaction (30) est actif dans une bande de fréquence correspondant à une bande de fréquence autour de la porteuse (21) du signal émis par ledit amplificateur dans laquelle on souhaite diminuer le bruit émis (25), la dite bande étant une transposition de ladite bande de fréquences de base (23). 3. Amplificateur de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit circuit de contre-réaction (30) est relié entre la sortie et l'entrée dudit transistors (Q1) via des inductances (31, 32), lesdites inductances étant passantes dans ladite bande de fréquences de base (23) et isolante pour les autres fréquences. 4. Amplificateur de puissance selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit transistor (Q1) étant un transistor à effet de champ, ledit circuit de contre-réaction basses fréquences (30) est connecté au drain dudit transistor via une première inductance (31) et à la grille dudit transistor via une deuxième inductance (32). 9 3045245 5. Système d'émission et de réception radio fréquences, caractérisé en ce qu'il comporte un amplificateur de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes. 5