Brevet FR3091081A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Amplificateur à forte puissance et à large bande de fréquences [0001] La présente invention concerne un amplificateur de forte puissance fonctionnant sur une très large bande de fréquences. Elle s'applique notamment sur tous types de poste de télécommunication. [0002] L'invention adresse le problème de la tenue des performances électriques d'un ampli- ficateur de puissance, notamment des performances (l'adaptation en présence de forte puissance, de gain et de consommation. [0003] De manière générale, il est très difficile d'adapter un transistor sur une large bande de fréquences, surtout lorsque celui-ci fonctionne à forte puissance. [0004] En particulier dans le domaine des télécommunications, pour concevoir un ampli- ficateur très large bande, supérieure à unc décade, et très forte puissance (typiquement supérieur à 100 W) sur substrat époxy ou céramique, le compromis entre la bande de fréquences, la puissance et les performances est limité par le paramètre de capacité en sortie par rapport à la surface de développement des transistors. [0005] En effet, plus on souhaite un transistor de forte puissance, plus il y a un déve- loppement de grille important et plus il y a unc capacité de sortie importante, et donc une impédance très faible à haute fréquence, limitant la bande de fonctionnement du transistor. [0006] Les solutions de l'art antérieur connues sont insatisfaisantes pour résoudre le compromis précité : - soit les adaptations présentées par les amplificateurs sont très mauvaises et né- cessitent des atténuateurs pour être intégrées dans des chaînes radiofréquence, limitant fortement leurs performances, notamment en consommation électrique dans le cas d'amplificateurs dc forte puissance large bande ; - soit leur bande de fonctionnement est très étroite. [0007] En pratique pour des applications dc très forte puissance sur une large bande de fréquences, il en résulte des amplificateurs souffrant d'une surconsommation d'énergie électrique, présentant un mauvais taux d'onde stationnaire (TOS) et étant très encombrants. [0008] Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un amplificateur de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte au moins : un premier amplificateur push-pull ; un deuxième amplificateur push-pull ; 2 un dispositif d'aiguillage ; un premier coupleur hybride 90°, couplé aux entrées desdits amplificateurs ; un deuxième coupleur hybride 90° couplé aux sorties desdits amplificateurs, via ledit dispositif d'aiguillage ; [0009] ledit dispositif d'aiguillage et lesdits amplificateurs étant contrôlés de telle façon que : lesdits amplificateurs sont balancés par lesdits coupleurs lorsque ledit amplificateur de puissance fonctionne dans une bande de fréquences donnée, la sortie dudit premier amplificateur étant aiguillée vers ledit deuxième coupleur ; le premier amplificateur est actif et le deuxième amplificateur est éteint lorsque ledit amplificateur de puissance fonctionne en dehors de ladite bande de fréquences, la sortie dudit premier amplificateur étant aiguillée directement en sortie dudit amplificateur de puissance. [0010] Ladite bande de fréquences correspond par exemple à la bande de fonctionnement desdits coupleurs hybrides. [0011] L'amplificateur comporte par exemple un circuit de contrôle contrôlant ledit dispositif et lesdits amplificateurs. [0012] Dans un mode de réalisation particulier : les signaux entrent dans ledit amplificateur de puissance par l'entrée 0° dudit premier coupleur, la sortie 90° dudit premier coupleur étant reliée à l'entrée dudit premier amplificateur push-pull et la sortie 0° dudit premier coupleur étant reliée à l'entrée dudit deuxième amplificateur push-pull ; la sortie dudit premier amplificateur est reliée à l'entrée dudit dispositif d'aiguillage, une voie de sortie dudit dispositif étant reliée à l'entrée 0° dudit deuxième coupleur hybride dont la sortie 0° constitue une première sortie dudit amplificateur de puissance, l'autre voie de sortie dudit dispositif d'aiguillage formant la deuxième sortie dudit amplificateur de puissance ; la sortie dudit deuxième amplificateur étant reliée à l'entrée 90° dudit deuxième coupleur hybride. [0013] Les transistors desdits amplificateurs push-pull étant du type MOS, ledit circuit de contrôle commande par exemple les tensions de grilles (lesdits transistors pour commander l'activation et l'extinction desdits amplificateurs. [0014] Ledit circuit de contrôle est par exemple un circuit numérique comportant une table de programmation de l'état (lesdits amplificateurs push-pull et dudit dispositif d'aiguillage en fonction de la fréquence de fonctionnement dudit amplificateur de puissance. [0015] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la des- 3 cription qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent : [0016] [fig.1] la figure 1, une illustration du principe de l'invention ; [0017] [fig.2] la figure 2, un exemple de réalisation d'un amplificateur de puissance selon l' invention ; [0018] [fig.3a] [0019] [fig.3h] les figures 3a et 3b, une illustration du fonctionnement d'un amplificateur selon l'invention. [0020] La figure 1 illustre le principe de l'invention. La solution selon l'invention, repose sur l'utilisation : d'un amplificateur push-pull balancé 1 dont la fonction est d'amplifier un signal RF, sur une très large gamme de fréquences ; d'un circuit de contrôle 2 qui configure de façon dynamique l'amplificateur 1. [0021] L'amplificateur de puissance selon l'invention comporte une entrée RFin recevant les signaux RF ; deux sorties, Out 1 et Out 2. [0022] Le principe de l'invention est de commuter un aiguillage en sortie de l'amplificateur push-pull balancé 1 d'une manière optimum qui sera décrite par la suite, en éteignant un des deux amplificateurs push pull pour profiter de toute la bande passante des amplificateurs selon une procédure qui sera décrite par la suite, le signal étant aiguillé vers Out 1 ou vers Out 2. A cet effet, le circuit de contrôle numérique 2 est prévu pour configurer cet aiguillage. [0023] L'invention est maintenant décrite plus en détail à l'aide de la figure 2 qui présente un exemple de réalisation de l'amplificateur push-pull balancé 1. [0024] La figure 2 présente donc le schéma de principe de l'amplificateur de puissance 1 utilisé par l'invention. [0025] L'amplificateur balancé 1 comporte au moins deux amplificateurs push-pull large bande 21, 22 ; un dispositif d'aiguillage 20, celui-ci étant par exemple un commutateur du type SP2T ; un coupleur hybride 90° en entrée (coupleur 3 dB), référencé 23 sur la figure ; un coupleur hybride 90° en sortie (coupleur 3 dB), référencé 24 sur la figure. [0026] Les deux coupleurs 23, 24 sont utilisés de façon à balancer les deux amplificateurs push-pull. [0027] Le premier amplificateur 21 push-pull est classiquement composé de deux transistors Ti, T2 montés en push-pull. Ces transistors ont pour fonction d'amplifier les signaux, on parlera par la suite du transistor Tl, ou T2, sachant que ces circuits d'amplifications peuvent comporter un ou plusieurs transistors. [0028] Il comporte en entrée un premier balun BI dont l'entrée 0° constitue l'entrée de l'amplificateur 21, l'autre entrée du halun étant reliée au potentiel de masse. La sortie 0° du halun est reliée à l'entrée du transistor Ti et la sortie 180° du halun est reliée à l'entrée du transistor T2. L'amplificateur 21 comporte en sortie un deuxième halun B2 dont l'entrée 0° est reliée à la sortie du transistor Ti et l'entrée 180° est reliée à la sortie du transistor T2. La sortie 0° du halun est reliée à l'entrée du dispositif d'aiguillage 20. La sortie 180° du halun est reliée au potentiel de niasse. [0029] Dans un mode de réalisation possible, les transistors T1, T2 étant du type FET (idéalement MOS ou HEMT GaN), leur entrée est constituée du drain et leur sortie est constituée de la source. Ils sont commandés par leur tension grille-source VGS1, tension commune appliquée aux deux transistors. [0030] Le dispositif 20 aiguille la sortie du premier amplificateur 21 : soit vers l'entrée 0° du coupleur de sortie 24 ; soit vers la sortie Out 2. [0031] De même, le deuxième amplificateur 22 push-pull est classiquement composé de deux transistors T3, T4 montés en push-pull. Il comporte en entrée un premier halun B3 dont l'entrée 0° constitue l'entrée de l'amplificateur 22, l'autre entrée du halun étant reliée au potentiel de masse. La sortie 0° du halun est reliée à l'entrée du transistor T3 et la sortie 180° du halun est reliée à l'entrée du transistor T4. L'amplificateur 22 comporte en sortie un deuxième halun B4 dont l'entrée 0° est reliée à la sortie du transistor T3 et l'entrée 180° est reliée à la sortie du transistor T4. La sortie 0° du balun est reliée à l'entrée 90° du coupleur de sortie 24. La sortie 180° du balun est reliée au potentiel de masse. [0032] Le dispositif 20 aiguille la sortie du premier amplificateur 21 : soit vers l'entrée 0° du coupleur de sortie 24 ; soit vers la sortie Out 2. [0033] Les transistors T3, T3 étant du type MOS, leur entrée est constituée du drain et leur sortie est constituée de la source. Ils sont alors commandés par leur tension grille-source VGS2, tension commune appliquée aux deux transistors. [0034] L'entrée de l'amplificateur de puissance 1 est également l'entrée 0° du coupleur d'entrée 23, la sortie 90° de ce dernier étant reliée à l'entrée du premier amplificateur 21. La sortie 0° du coupleur d'entrée est reliée à l'entrée du deuxième amplificateur 22. [0035] La sortie Out 1 de l'amplificateur de puissance 1 est la sortie 0° du deuxième coupleur. [0036] Pour mettre en oeuvre le fonctionnement du dispositif selon l'invention tel qu'il sera décrit par la suite, les deux amplificateurs push-pull 21, 22 ainsi que le dispositif d'aiguillage 20 sont commandés par le circuit de contrôle 2. Plus précisément, le circuit de contrôle commande les tensions VGSI du premier amplificateur 21 et notamment la tension VGS2 du deuxième amplificateur 22. Dans le cas où le dispositif d'aiguillage est un SP2T, le circuit de contrôle 2 commande sa sortie vers le coupleur de sortie ou vers la sortie Out 2. Le circuit de contrôle 2 peut être réalisé de différentes manières, selon les techniques numériques connues notamment (FPGA par exemple). Ce peut être en particulier un processeur utilisé par ailleurs pour d'autres fonctions notamment à l'intérieur d'un poste de communication. Le circuit de contrôle comporte par ailleurs les interfaces nécessaires pour commander les tensions VGSI et VGS2 ainsi que pour activer le dispositif d'aiguillage 20. [0037] Ayant décrit la composition des circuits mettant en oeuvre l'invention, on revient maintenant à la description du fonctionnement du dispositif dc la figure 1, fonctionnement commandé par le circuit de contrôle 2. [0038] Comme indiqué précédemment, on commute le dispositif d'aiguillage 20, en éteignant un des deux amplificateurs, pour bénéficier dc toute la bande passante des amplificateurs, qui est plus large que celle des coupleurs hybrides utilisés 23, 24. [0039] A cet effet, le circuit de contrôle 2 configure l'état du dispositif d'aiguillage 20, interne à l'amplificateur push-pull balancé 1, ainsi que la valeur de la tension de grille VG2 du deuxième amplificateur 22, afin d'éteindre ou d'activer celui-ci, suivant une loi de programmation en fréquence centrale d'utilisation. [0040] Le tableau ci-dessous est un exemple de programmation de la commande du circuit de contrôle. Par convention : Pour le dispositif d'aiguillage : - L'état logique 0 correspond à un aiguillage de la sortie du premier amplificateur 21 vers le coupleur de sortie 24 et donc vers la sortie Out 1; - L'état logique 1 correspond à un aiguillage de la sortie du premier amplificateur 21 vers la sortie Out 2 ; Pour le deuxième amplificateur 22 : L'état logique 0 correspond à l'extinction de cet amplificateur 22, VGS2 étant alors commandé à 0 V par exemple ; L'état logique 1 correspond à l'activation de cet amplificateur 22, VGS2 étant alors commandé à une tension 5 V par exemple, au moins à une tension qui rend passant les transistors T3 et T4. [0041] [Tableauxl] Fre uence( .Hz)o Etat ferre" cateurn Etat aiguillages 30- 100 1Hze On 1 10OE-.512- t- ]z 512 -- ze u. [0042] La programmation de l'état de l'aiguillage (vers Out 1 ou Out 2) et de l'état du - - 6 deuxième amplificateur (éteint ou actif) est fonction de la bande de fonctionnement de l'amplificateur de puissance 1 et de la bande de fonctionnement des coupleurs hybrides 23, 24. [0043] Lorsque l'on est en dehors de la bande de fonctionnement des coupleurs hybrides, on aiguille la sortie du premier amplificateur 21 directement vers la sortie Out 2. Pendant ce temps, le deuxième amplificateur 22 est éteint. Ce cas correspond aux Terne et 4ème lignes du tableau pour des fréquences de fonctionnement dans les bandes 30 à 100 MHz et 512 à 1000 MHz. [0044] Lorsque l'on est dans la bande de fonctionnement des coupleurs hybrides, on aiguille la sortie du premier amplificateur 21 vers la sortie Out 1 via le coupleur de sortie 24. Pendant ce temps, le deuxième amplificateur 22 est activé. [0045] Le tableau précédent est un exemple de programmation du circuit de contrôle 2, à titre d'illustration du principe de fonctionnement d'un dispositif selon r invention. Il peut donc être implanté dans ce circuit de contrôle qui peut être un FPGA ou tout autre circuit numérique comme indiqué précédemment. [0046] Pour commander l'état du deuxième amplificateur push-pull et de l'aiguillage, il né- cessaire que le circuit de contrôle prennent en compte la fréquence de fonctionnement de l'amplificateur de puissance, c'est-à-dire en fait de la fréquence des signaux d'entrée. Il faut donc prévoir un capteur de fréquences (non représenté) donnant l'information de fréquence au circuit de contrôle, pour qu'il puisse par exemple en fonction de l'information de fréquence captée et du tableau commander l'état de l'amplificateur 22 et de l'aiguillage 20. [0047] Les figures 3a et 3b illustre également le principe de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention. En utilisant des coupleurs hybrides 23, 24 pour balancer les deux amplificateurs push-pull 21, 22 large bande, on peut : utiliser la combinaison des deux amplificateurs dans la bande des coupleurs hybrides, la sortie Out 1 étant sélectionnée (figure 3a), dans ce cas les deux amplificateurs push-pull sont dans un mode de fonctionnement balancé (par les deux coupleurs 23, 24) ; utiliser un seul amplificateur push-pull (l'amplificateur 21) en dehors de la bande de fonctionnement de ces coupleurs hybrides 23, 24, la sortie Out 2 étant sélectionnée (figure 3b). [0048] En utilisant une architecture d'amplificateur de puissance telle que présentées par les figures 1 et 2, on répond au problème de conception des coupleurs hybrides 90° sur une large bande de fréquences et de puissance, en combinant des amplificateurs push-pull qui sont, eux, moins compliqués à concevoir en large bande (un transistor en jeu au lieu de quatre). L'amplificateur selon l'invention permet avantageusement d'avoir des performances d'adaptation hyperfréquence et de besoin de puissance dans la bande 7 centrale de fonctionnement (100 à 512 MHz dans l'exemple du tableau 1). [0049] Lors d'une émission radio, l'aiguillage de sortie 20 est contrôlé en fonction de la fréquence d'émission. Si celle-ci est comprise dans la bande de fonctionnement du coupleur hybride d'entrée 23, on aiguille alors le signal amplifié (par les deux amplificateurs 21, 22) vers le coupleur de sortie 24. Dans le cas contraire, le signal amplifié (par seulement le premier amplificateur 21) directement vers la sortie Out 2, sans passer par le coupleur de sortie. 8 REVENDICATIONS[Revendication 1] Amplificateur de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte au moins : - un premier amplificateur push-pull (21) ; - un deuxième amplificateur push-pull (22) ; - un dispositif d'aiguillage (20) ; - un premier coupleur hybride 90° (23), couplé aux entrées desdits amplificateurs (21, 22) ; - un deuxième coupleur hybride 900 (24) couplé aux sorties desdits amplificateurs (21, 22), via ledit dispositif d'aiguillage ; ledit dispositif d'aiguillage et lesdits amplificateurs étant contrôlés de telle façon que : lesdits amplificateurs sont balancés par lesdits coupleurs lorsque ledit amplificateur de puissance fonctionne dans une bande de fréquences donnée, la sortie dudit premier amplificateur (21) étant aiguillée vers ledit deuxième coupleur (24) ; le premier amplificateur (21) est actif et le deuxième amplificateur est éteint lorsque ledit amplificateur de puissance fonctionne en dehors de ladite bande de fréquences, la sortie dudit premier amplificateur (21) étant aiguillée directement en sortie (Out 2) dudit amplificateur de puissance. [Revendication 2] Amplificateur de puissance selon la revendication 1, caractérisé en cc que ladite bande de fréquences correspond à la bande de fonctionnement desdits coupleurs hybrides (23, 24). [Revendication 3] Amplificateur de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en cc qu'il comporte un circuit de contrôle (2) contrôlant ledit dispositif d'aiguillage et lesdits amplificateurs. [Revendication 4] Amplificateur de puissance selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en cc que : les signaux (RFin) entrent dans ledit amplificateur de puissance par l'entrée 0° dudit premier coupleur (23), la sortie 90° dudit premier coupleur étant reliée à l'entrée dudit premier amplificateur push-pull (21) et la sortie 0° dudit premier coupleur étant reliée à l'entrée dudit deuxième amplificateur 9 push-pull (22) ; b sortie dudit premier amplificateur (21) est reliée à l'entrée dudit dispositif d'aiguillage (20), unc voie de sortie dudit dispositif étant reliée à l'entrée 00 dudit deuxième coupleur hybride (24) dont la sortie 0° constitue une première sortie (Out 1) dudit amplificateur de puissance, l'autre voie de sortie dudit dispositif d'aiguillage (20) formant la deuxième sortie (Out 1) dudit amplificateur de puissance ; la sortie dudit deuxième amplificateur (22) étant reliée à l'entrée 90° dudit deuxième coupleur hybride (24). [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] Amplificateur de puissance selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que, les transistors desdits amplificateurs push-pull (21, 22) étant du type MOS, ledit circuit de contrôle (2) commande les tensions de pilles (VGS1, VGS2) desdits transistors pour commander l'activation et l'extinction desdits amplificateurs (21, 22). Amplificateur de puissance selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit circuit de contrôle (2) est un circuit numérique comportant une table de programmation de l'état desdits amplificateurs push-pull et dudit dispositif d'aiguillage en fonction de la fréquence de fonctionnement dudit amplificateur de puissance. Amplificateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'aiguillage est un circuit SP2T.