Brevet FR3157990A1 — publié le 20250704

Circuit d’amplification pour signal radiofréquence avec modulation de tension d’alimentation de sortie en fonction d’une mesure de signal de sortie d’amplification La présente invention concerne un circuit d’amplification pour signal radiofréquence comprenant un amplificateur de puissance à transistor (100) et une alimentation électrique régulée fixe (110) pour fournir une tension d’alimentation de sortie aux transistors (100). Le circuit comprend un modulateur (160) régulant la tension d’alimentation de sortie de manière continument variable, ledit modulateur étant dépendant d’un détecteur (150) mesurant un signal radiofréquence de sortie du transistor. Figure pour l'abrégé : Figure 1 Circuit d’amplification pour signal radiofréquence avec modulation de tension d’alimentation de sortie en fonction d’une mesure de signal de sortie d’amplification Contexte technique L’invention s’inscrit dans le domaine des radiocommunications, incluant la communication radioélectrique en tant que telle et le brouillage de communications radioélectriques. L’invention s’inscrit plus précisément (mais non exclusivement) dans le domaine de l’amplification de puissance en vue d’une émission par une antenne avec des circuits de technologie état solide, dans des gammes de radiofréquences (RF) de l’ordre du MHz jusqu’aux hyperfréquences, avec une bande passante instantanée dont le ratio entre la fréquence haute et la fréquence basse est significatif à l’égard des variations d’impédance – on parlera d’une bande large. La communication en bande large est typiquement exploitée pour les communications militaires et pour le brouillage défensif ou offensif. En aval d’un étage amplificateur (celui-ci comprenant un transistor ou souvent des transistors dont les signaux de sortie individuels sont additionnés par l’intermédiaire de combineurs pour former le signal de sortie de l’amplificateur), les impédances qui lui sont présentées sont variables, liées à la présence de combineurs, de commutateurs, de câbles, d’éléments de liaison, des antennes elles-mêmes (ou toute autre charge selon l’utilisation) et de réflecteurs parasites. Or les segments de la gamme de fréquences pour lesquels l’impédance présentée est faible sont de faible rendement énergétique du fait du caractère élevé de la tension d’alimentation nécessitée par les segments de fréquences pour lesquels l’impédance est la plus élevée. Cela pénalise les performances thermiques, la compacité et le poids de l’amplificateur, notamment celles de son alimentation électrique et de son système de refroidissement. Cela a des conséquences en matière d’autonomie entre deux ravitaillements en carburant pour un émetteur alimenté avec un groupe électrogène dans un contexte de déploiement en environnement terrestre mobile, ou en ce qui concerne le dimensionnement de ce groupe électrogène et des divers systèmes de refroidissement. On souhaite donc que l’amplificateur en amont de l’antenne d’émission ait un rendement le plus élevé possible. Ces difficultés sont typiquement peu rencontrées en bande étroite. En bande large, une adaptation d’impédance en sortie d’amplificateur est effectuée, mais elle résulte en un compromis entre ses performances et le fonctionnement sur la totalité de la bande. Cette situation est aggravée par la nature de la charge utile, elle-même à large bande et généralement issue de compromis la rendant imparfaitement adaptée à toutes les fréquences de la bande utile. On connait par ailleurs, appliquée à une situation en bande étroite, par exemple en matière de téléphonie mobile de type téléphonie cellulaire, une technique de détection d’enveloppe du signal d’entrée de l’amplificateur et de modulation de la tension en sortie des transistors d’amplification (borne de sortie dénommée drain ou collecteur selon la technologie) menée pour améliorer le rendement d’amplification. Cette technique ne s’intéresse qu’à la variabilité de l’amplitude du signal d’entrée pour optimiser la tension d’alimentation du transistor. Elle ne s’affranchit pas de la variabilité des impédances présentées en sortie de transistor. Or, dès que les fréquences varient significativement, cette variabilité devient importante. Caractéristiques de l’invention - avantages Dans ce contexte, on reste dans le besoin de principes permettant d’améliorer le rendement énergétique en bande large, et des circuits associés, mettant en œuvre de tels principes. Les systèmes de forte puissance ont typiquement un signal RF de sortie régulé en puissance sur la sortie utilisateur de manière continue pour la protection des fonctions en aval (commutateur d’émission-réception état solide, autres commutateurs, filtres, etc…) ou pour l’atteinte d’un gabarit de champ (typique en essai de compatibilité électromagnétique). L’invention met à profit cette régulation continue, pour compenser toute perte d’amplification du circuit due à la modulation de tension d’alimentation de transistor objet du présent document. La solution présentée ici consiste en la mesure de l’enveloppe du signal RF à la sortie immédiate d’un transistor, avant la transformation d’impédance opérée par les circuits d’adaptation (sous réserve d’ailleurs qu’une telle adaptation soit utilisée dans le circuit concerné, mais c’est le plus souvent le cas), et l’utilisation de cette information pour rapprocher dynamiquement la tension d’alimentation de sortie des transistors, de l’enveloppe de la tension du signal RF vu en sortie immédiate de transistor. Cela permet, de manière originale, de prendre en compte l’impédance de la chaine d’émission (en aval des transistors) rapportée aux bornes de chacun des transistors pour réguler la tension d’alimentation, et donc diminuer les pertes énergétiques. La mesure de tension, après filtrage, est prise comme référence pour moduler la tension d’alimentation appliquée aux drains (ou de manière générale aux sorties) des transistors de sorte qu’elle suive de façon appropriée celle de l’enveloppe RF vue en sortie du transistor, qui a donc été mesurée et est mesurée de manière continue. La variabilité d’impédance est alors compensée dynamiquement par la modulation de la tension d’alimentation. Cette compensation est évidemment soumise à la constante de temps de la fonction de filtrage, dans la mesure où celle-ci est utilisée. Et le système est stabilisé par la régulation continue du niveau du signal RF vu en sortie de l’amplificateur (après combinaison de l’étage final dans le cas de plusieurs circuits d’amplification sur le dernier étage), par ailleurs. Ainsi, l’invention consiste en un circuit d’amplification pour signal radiofréquence comprenant un amplificateur de puissance à transistor et une alimentation électrique régulée pour fournir une tension de drain (ou tension dite d’alimentation de drain, ou tension dite d’alimentation de sortie de transistor). Ce sont là des notions connues. Mais le circuit d’amplification comprend un modulateur, connu aussi, régulant la tension d’alimentation de sortie de chacun de ses transistors, ledit modulateur étant dépendant d’un détecteur mesurant, de manière originale, un signal de sortie d’au moins un desdits transistors. En sus ou indépendamment de l’amélioration connue due à la modulation de la tension d’alimentation conformément à l’enveloppe du signal d’entrée de l’amplificateur, le suivi de l’enveloppe en sortie de transistor permet de corriger les plages de mauvais rendement d’un amplificateur à large bande. La présente solution permet ainsi de corriger dynamiquement, en fonction de toute variation de fréquence d’émission ou en fonction du temps (cas de modes opératoires ou autres évènements externes), toute variation due à la charge utile et au système d’amplification lui-même. L’amélioration du rendement dans le cas d’amplificateur de forte puissance à large bande permet : • l’optimisation de la puissance disponible par transistor grâce à la réduction de la puissance dissipée, • l’optimisation du poids et du volume du système de refroidissement, • l’optimisation du poids et du volume des convertisseurs AC/DC ou DC/DC d’alimentation, cela outre l’ajout des circuits nécessaires au fonctionnement de la modulation de tension d’alimentation de sortie, • la sobriété énergétique du système. Tous ces critères sont critiques dans le cas de systèmes embarqués. De manière optionnelle et avantageuse, le détecteur peut filtrer et lisser ladite mesure d’un signal de sortie dudit transistor pour former une enveloppe de tension de sortie, le modulateur régulant la tension d’alimentation de sortie pour minimiser la différence entre ladite tension d’alimentation de sortie et ladite enveloppe de tension de sortie. Le fait que la mesure soit filtrée permet d’assurer la stabilité de l’asservissement. Toujours de manière optionnelle, le circuit d’amplification peut être de type single-ended (mode commun), mais il peut aussi être de type différentiel dans le cadre d’un montage push-pull. Ainsi, la mise en œuvre consiste en un circuit de mesure et de détection d’enveloppe entre drain et source (pour le montage single-ended) – (la source étant remplacée par l’émetteur dans certaines technologies de transistor), ou en alternative entre deux drains dans le cas d’un transistor double utilisé en push-pull (0 – 180°). Afin de réduire l’impact matériel et le taux de panne global de l’amplificateur, la détection pourra être faite sur un unique transistor avec application de la modulation de tension d’alimentation de sortie sur tous les transistors du même étage. Cette disposition se base sur la répétabilité des variations d’impédance des circuits d’adaptation entre plusieurs transistors d’un même étage amplificateur. Et une fois installé, le circuit comprend en général un réseau d’adaptation d’impédance en sortie de transistor, selon des principes connus le détecteur original selon l’invention, mesurant un signal de sortie d’un transistor, et le circuit de filtrage de la mesure, le modulateur de tension d’alimentation de sortie, prenant en compte la mesure après filtration. On précise que la mesure de signal faite par le détecteur porte sur le signal entre le transistor et le réseau d’adaptation d’impédance. L’invention concerne par conséquent aussi l’utilisation d’un circuit d’amplification pour signal radiofréquence selon les principes évoqués, d’intérêt plus marqué pour une bande de fréquence large, mais non exclusivement. Cette utilisation peut être menée pour une communication radioélectrique, ou un brouillage de communication radioélectrique. L’invention s’applique avec l’utilisation d’une onde entretenue (continuous wave en anglais ou CW) ou d’une onde impulsionnelle, et de tout type de modulation. Liste des figures La FIG. 1 présente un premier mode de réalisation de l’invention La FIG. 2 présente un deuxième mode de réalisation de l’invention. Description détaillée On rappelle le montage utilisé classiquement dans l’art antérieur pour l’amplification d’un signal radiofréquences (RF) à l’aide d’un amplificateur à transistors (dans un montage « single-ended », ou mode commun). On discute d’un transistor donné en particulier. Une tension d’alimentation ou tension d’alimentation de sortie est appliquée au montage du transistor. Cette tension est parfois appelée tension de drain, et est référencée par rapport à la terre, à laquelle est par ailleurs relié le transistor, par exemple par sa borne qualifiée de source. La tension d’alimentation de sortie est en général continue et parfois notée VDC et cette tension VDC appliquée n’est en général pas modulée dans le temps : elle est constante. Un signal d’entrée RF, référencé par rapport à la source, est appliqué à une borne d’entrée de l’amplificateur. Le signal RF amplifié par l’amplificateur est transmis sur la borne de sortie du transistor ou des transistors - et s’exprime sous la forme d’une tension par rapport à la terre. Une charge à deux pôles est reliée au dipôle constitué de la terre et de la borne de sortie du transistor ou des transistors par un réseau d’adaptation d’impédance pour faciliter la transmission de puissance. La charge peut être un circuit comprenant des combineurs (pour combiner les signaux de sortie des transistors d’un même étage dans un amplificateur qui comporte comme c’est souvent le cas, plusieurs transistors), des commutateurs, des filtres, des cordons coaxiaux et ultimement une antenne, par exemple. Le réseau d’adaptation fait une adaptation entre l’impédance présente entre la source et la sortie du transistor, notée Z et l’impédance de la charge ramenée au transistor, notée ZL (qui varie en fonction de la fréquence du signal transmis, des modes opérationnels, et également de l’environnement du système utile, antennaire par exemple). Cette adaptation a des rendements qui sont meilleurs à certaines fréquences qu’à d’autres. Une énergie est perdue sous forme de chaleur, notamment en présence des fréquences pour lesquelles le réseau d’adaptation d’impédance n’est pas bon. FIG. 1 En FIG. 1 , on a représenté l’invention, également, dans un mode de réalisation single-ended, ou mode commun. Un signal d’entrée S est à nouveau appliqué à la borne d’entrée d’un circuit amplificateur 100, comprenant au moins un transistor, et dont la source est reliée, comme précédemment, à la terre. Une alimentation en tension continue 110 (VDC) est disponible, mais cette tension n’est pas appliquée directement à la borne d’alimentation de sortie du montage du transistor 100. Un réseau d’adaptation d’impédance 120 relie comme précédemment les deux pôles d’une charge 130 ramenant l’impédance ZL (dépendant de la fréquence) au dipôle constitué de la source et de la sortie du transistor, d’impédance notée Z. La charge 130 comme précédemment peut être un circuit comprenant des combineurs, des commutateurs, des filtres, des cordons coaxiaux et une antenne et le réseau d’impédance 120 fait l’adaptation entre l’impédance Z et la charge pour présenter l’impédance ZL optimale, avec un rendement variable en fonction de la fréquence. Le signal RF amplifié S1 se développe comme une puissance entre la borne de sortie du transistor et la source. Selon l’invention, on mesure en continue la tension du signal RF amplifié S1 à la sortie immédiate du transistor 100, entre la sortie du transistor et la source, et, dans un module de détection d’enveloppe de tension drain-source 150, on extrait l’enveloppe de ce signal, par l’utilisation d’un filtre passe-haut et un lissage. On en déduit une valeur instantanée d’enveloppe de tension, qui est, dans un modulateur 160, comparée à la valeur courante de tension d’alimentation de sortie de transistor, en sorte de définir une différence, qui sert pour corriger la tension courante d’alimentation de sortie des transistors de l’étage pour ramener cette différence vers une consigne prédéfinie, visant généralement à réduire cette différence, dans le cadre d’un asservissement. Le signal RF amplifié se développe donc avec une tension d’alimentation de sortie du transistor qui est modulée, ce qui amène à une minimisation de l’énergie perdue dans le montage du transistor, y compris par prise en compte des variations d’impédance présentées au transistor aux différentes fréquences par la charge 130 via son réseau d’adaptation 120. FIG. 2 En FIG. 2 , on a représenté un mode de réalisation de l’invention fondé sur un montage en mode différentiel (push-pull). Un signal d’entrée S’ est appliqué aux deux bornes d’entrée d’un double transistor 200, dont chaque source est par ailleurs reliée à la terre. Une alimentation en tension continue 210 (VDC) est disponible, mais cette tension n’est pas appliquée directement aux bornes d’alimentation de sortie du montage du double transistor 200. Un réseau d’adaptation d’impédance 220 relie les deux pôles d’une charge 230 ramenant l’impédance ZL_diff (dépendant de la fréquence) au dipôle constitué des deux bornes de sortie (drains) du double transistor 200, d’impédance notée Z_diff. La charge 230 comme précédemment peut être un circuit comprenant des combineurs, des commutateurs, des filtres, des cordons coaxiaux et une antenne et le réseau d’impédance 220 fait l’adaptation entre l’impédance Z_diff et la charge pour présenter l’impédance ZL_diff optimale, avec un rendement variable en fonction de la fréquence. Le signal RF amplifié S’1 se développe comme une puissance entre les bornes de sortie du double transistor. Selon l’invention, on mesure en continue la tension du signal RF amplifié S’1 à la sortie immédiate du double transistor 200, entre les deux bornes de sortie, et, dans un module de détection d’enveloppe 250, on extrait l’enveloppe de ce signal, comme mentionné en relation avec le premier mode de réalisation. On en déduit une valeur instantanée d’enveloppe de tension, qui est, dans un modulateur 260, utilisée pour corriger la tension courante d’alimentation de sortie du montage du double transistor 200 pour ramener leur différence vers une consigne prédéfinie, visant généralement à réduire cette différence, dans le cadre d’un asservissement. Le signal RF amplifié se développe donc avec une tension d’alimentation de sortie qui est modulée, ce qui amène à une minimisation de l’énergie perdue dans le double transistor 200, y compris par prise en compte des variations d’impédance présentées au double transistor 200 aux différentes fréquences par la charge 230 via son réseau d’adaptation 220. Avec les techniques antérieures, que ce soit pour un circuit en bande étroite ou dans un circuit bande large, les variations d’impédance présentées à l’amplificateur ne sont pas prises en compte. Mais ici, moduler finement et au plus près de la sortie du transistor (drain-source ou émetteur-collecteur), ou des sorties du double transistor en mode différentiel (drain-drain ou émetteur-émetteur), la tension d’alimentation de sortie de chaque transistor permet d’obtenir la sobriété énergétique recherchée. Le procédé est basé sur un asservissement (dans les modulateurs 160 et 260 des figures 1 et 2). Le procédé peut être mis en œuvre analogiquement, ou, de façon hybride, avec une partie en technologie numérique. Circuit d’amplification pour signal radiofréquence comprenant un ou des circuits à transistor et une alimentation électrique régulée (110 ; 210) pour fournir une tension d’alimentation de sortie (100 ; 200) au transistor, ledit circuit d’amplification étant caractérisé en ce qu’ il comprend un modulateur (160 ; 260) régulant ladite tension d’alimentation de sortie de transistor des circuits d’amplification d’un étage d’amplification ledit modulateur (160 ; 260) étant dépendant d’un détecteur (150 ; 250) mesurant pour au moins un transistor dudit étage d’amplification, une tension de l’enveloppe du signal radiofréquence en la sortie du transistor (S1, S’1) pour minimiser la différence entre ladite tension d’alimentation de sortie et ladite tension de l’enveloppe du signal radiofréquence pour l’ensemble des transistors d’un même étage d’amplification. Circuit d’amplification pour signal radiofréquence RF selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transistors de l’étage sont montés selon un montage de type single-ended. Circuit d’amplification pour signal radiofréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transistors de l’étage sont montés selon un montage de type différentiel. Circuit d’amplification pour signal radiofréquence selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend un réseau d’adaptation d’impédance (120 ; 220) entre ledit transistor (ou multiples transistors) et une charge du circuit, le détecteur (150 ; 250) mesurant la tension de sortie entre ledit transistor (ou multiples transistors) et le réseau d’adaptation d’impédance (120 ; 220). Circuit d’amplification pour signal radiofréquence selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la détection est faite sur un unique transistor (ou multiples transistors) avec application de la modulation de tension d’alimentation de sortie sur plusieurs transistors (ou multiples transistors) d’un même étage d’amplification du circuit. Utilisation d’un circuit d’amplification selon la revendication 1 à 5, caractérisé en ce qu’elle est menée pour une communication radioélectrique, ou un brouillage de communication radioélectrique, ou toute autre application nécessitant un signal radioélectrique.