Amplification de puissance radiofréquence à l'état solide - Paramètres de mise en œuvre

Après une première partie ayant présenté les classes, systèmes et technologies des amplificateurs de puissance radiofréquence état solide [E 1 610], ce document en constitue la deuxième partie et traite de leur mise en œuvre. Le champ d'applications concerne tous les systèmes qui doivent délivrer une puissance RF en sortie, dont le niveau est significatif par rapport à la puissance consommée par le produit considéré.

Si l'on considère les évolutions technologiques actuelles, on constate une pénétration croissante de l'état solide dans les systèmes industriels de puissance grâce à la généralisation du traitement numérique de signal, qui apporte une gestion fine et rapide des circuits de commande et d'autoprotection, apte à les rendre de plus en plus robustes. L'explosion des télécommunications hertziennes, avec le développement des procédés de transmission de signaux complexes conduit, en particulier, à l'intégration de plus en plus importante des fonctions électroniques sur les substrats semi-conducteurs, sous forme de circuits intégrés RF (RFIC) et de composants de puissance complexes, si bien que la fonction d'amplification de puissance implique toute la chaîne de développement, du composant au système complet.

La conception des amplificateurs RF doit satisfaire les spécifications de besoins de chaque application spécifique et donc répondre à des critères de définition qui garantiront, avec une importance relative plus ou moins grande, la puissance, le rendement, et éventuellement le gain et la linéarité. Ces caractéristiques découlent d'un certain nombre de paramètres de mise en œuvre que le concepteur aura à préciser pour le développement du produit : le choix du type d'amplificateur (voir [E 1 610]), l'application des tensions d'alimentation de l'étage (polarisation), la gestion des charges (adaptations d'impédances), le traitement de la thermique (système de refroidissement) et la compatibilité électromagnétique (blindage). En général, cela ne se fait pas sans aborder l'aspect fiabilité prévisionnelle, sachant que ce sous-ensemble est le plus sensible dans le système.

La définition de ces paramètres suppose une bonne connaissance des composants à utiliser et pour cela, on dispose des outils suivants :

• les spécifications constructeur : certaines grandeurs sont établies par le constructeur pour l'usage auquel il destine le composant et n'ont en général pas besoin d'être recaractérisées : domaine d'utilisation (gamme de fréquence, puissance, spécifications mécaniques), limites d'utilisation « maximum ratings » et thermique. D'autres données ne sont qu'indicatives : exemples de performances (courbes), paramètres S, impédances en puissance ;

• les moyens d'investigation complémentaires dont un laboratoire peut disposer : outils et méthodes de caractérisation. En effet, les données indicatives mentionnées ci-avant ne correspondent pas toujours exactement à l'utilisation envisagée, et elles ressortent de toute façon de montages de tests propres au constructeur, élaborés pour illustrer une utilisation exemplaire, standard ou moyenne.

La qualité des signaux restitués par l'amplificateur de puissance fait partie de la méthodologie de conception et doit être traitée pour satisfaire les contraintes de l'application. Dans le domaine industriel, les soucis seront d'ordre essentiellement écologique et de fiabilité : pollution hertzienne, rayonnements parasites, robustesse et échauffement. Dans le domaine des télécommunications, les systèmes actuels, de plus en plus gourmands en débits de données, évoluent vers une optimisation de l'efficacité spectrale définie en bits par hertz de bande passante qui suppose des modulations de plus en plus complexes (QAM, OFDM, CDMA...). Dans les domaines de l'investigation, les outils fonctionnant en radiofréquence (radar et applications médicales ou scientifiques) demandent des résolutions de plus en plus élevées, supposant de maîtriser la forme des impulsions. Le respect de ces impératifs passe nécessairement par un traitement de plus en plus précis de la linéarité des systèmes. La linéarité propre des amplificateurs étant tributaire des contraintes de rendement électrique, il faut donc en général en corriger les défauts par des circuits extérieurs et complémentaires.

L'approche de cette présentation se veut pragmatique et est articulée selon les trois volets suivants :

• quels sont les éléments qui permettent de choisir les composants et les caractérisations complémentaires éventuellement nécessaires pour pouvoir les utiliser efficacement ;

• quelles sont les règles de conception proprement dites pour la mise en œuvre des composants actifs et les points particuliers à surveiller pour garantir un fonctionnement prévisible en fonction des signaux à traiter ;

• puisque la plupart des applications d'amplification de puissance RF exigent le respect, ou du moins une bonne connaissance, de la linéarité, un paragraphe est dédié aux distorsions non linéaires : leurs différentes définitions, les comportements des étages de puissance et la description de quelques procédés d'amélioration proches de l'amplification ou impliquant une approche système.

Le domaine abordé etant très vaste et fortement diversifié en termes d'applications, nous avons fait le choix d'approfondir les aspects analogiques de la mise en œuvre par opposition à des aspects plus proches de la génération de puissance RF, tels les besoins purement industriels fonctionnant dans les plus basses fréquences du spectre RF, et pour lesquels les développements se concentrent sur les circuits annexes de surveillance et de sécurité de fonctionnement.