Nouvelle architecture d’amplificateur de puissance fonctionnant en commutation en bande L

Sujets de thèse 2014

Intitulé de la thèse
Nouvelle architecture d’amplificateur de puissance fonctionnant en commutation en bande L
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Chaire DEFIS-RF
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Informatique, électronique
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
XLIM Brive & Limoges
Laboratoire d’accueil : XLIM/C2S2

Présentation de l’équipe de recherche
La thèse se déroulera au sein du laboratoire XLIM UMR CNRS-Université de Limoges dans le département Composants, Circuits, Signaux et Systèmes Haute Fréquence (C2S2). 70 chercheurs permanents et non permanents, ainsi qu’une équipe technique et administrative travaillent dans ce département sur, notamment les amplificateurs de puissance en RF – thématique concernée par la thèse- . L’équipe de recherche a été évaluée A+ par l’AERES en 2011 et travaille en étroite coopération avec les acteurs majeurs du domaine en France et en Europe. La thèse sera financée dans le cadre du projet de chaire industrielle de l’ANR (DEFIS-RF) en collaboration avec Thales Alenia Space et le CNES.

Résumé de la thèse en français
La thèse porte sur le développement d’une nouvelle architecture d’amplificateur de puissance en RF. Cette architecture est basée sur l’association de cellules de commutation en technologie GaN ultra rapide qui doivent permettre en fonctionnement en bande L (1,5 GHz). L’architecture envisagée doit permettre de réaliser des amplificateurs très large bande et sont assimilés à des convertisseurs numériques analogiques de puissance en RF. Le doctorant aura à prendre en charge le développement de cet amplificateur prototype ainsi que le traitement du signal associé à l’aide d’une générateur arbitraire de formes d’ondes.

Résumé de la thèse en anglais
The subject of the thesis is the development of a Rf power amplifier’s new architecture. This architecture is based on the association of ultra high speed switching cells realized with GaN transistors. Those cells should allow to reach the L-band (1.5 GHz). The architecture which is foreseen should allow to realize broadband amplifiers which can be seen as RF power Digital to Analog Converters (DAC). The PhD student will be responsible for the development of a prototype as well as the associated signal processing that will be done through the use of an Arbitrary Waveform Generator (AWG)

Description complète du sujet de thèse

Les équipements de télécommunications spatiales du futur devront supporter des débits de données très élevés et présenter des propriétés d’adaptation au traffic très importantes. De plus ces transmissions devront être effectuées en minimisant l’énergie consommée. Ces contraintes de largeur de bande, de flexibilité et d’efficacité énergétique, constituent un véritable défi pour la conception des amplificateurs de puissance qui rreprésentent l’élément clé pour minimiser la consommation énergétique notamment.

L’émergence récente de technologies de composants comme les transistors à effet de champ sur itrure de Gallium (GaN) laisse entrevoir la possibilité de réaliser des amplificateurs en commutation -dont les rendements théoriques avoisinent les 100% – dans le domaine des radio fréquences (RF). Les premières approches sur les amplificateurs en commutation ont permis le développement de classes de fonctionnement basées sur l’ingénierie des formes d’ondes en entrée et en sortie de l’élement actif de l’amplificateur; ce sont les classes de fonctionnement F, F inverse, E, …- qui offrent d’excellents rendements mais qui sont limitées en bande passante.

Une alternative à cette à limitation est constituée par l’utilisation de transistors en commutation pure conduisant au concept d’amplificateur de puissance purement numérique. Ce sont des amplificateurs en classe-S ou en classe D qui comportent comme éléments essentiels, un modulateur, un driver et un « switch » de puissance et un filtre de reconstruction (suivant le schéma de la figure-1 en annexe) 1]. Il a été démontré que ces techniques sont à même de couvrir la bande basse du spectre RF (400MHz-4000MHz) avec des rendements d’amplificateur proches de 50% [2]. Le choix entre la classe-S, basée sur un modulateur Delta-Sigma, et la classe D, basée sur un modulateur de largeur d’impulsions PWM, réside principalement dans la fréquence de commutation du switch de puissance; cette dernière étant moins élevée pour la classe D.

Au cours de cette thèse, on se propose d’explorer les potentialités de cette architecture d’amplificateur de puissance en classe D pour des applications de « Mobile Satellite Service MSS » en bande L.

Le déroulement de la thèse est organisé en trois phases d’environ une année chacune.

Phase 1 (t0 à t0+12) Recherche bibliographique, état de l’art. Au cours de cette première phase le doctorant effectuera une recherche bibliographique la plus complète possible pour établir l’état de l’art dans ce domaine. Cette étude s’appuiera de plus sur des simulations systèmes pour évaluer les potentialités des classes S et D. La comparaison entre les diférentes solutions sera effectuée en comparant les rendements de codage [3]. On étudiera plus spécifiquement l’apport potentiel d’une architecture différentielle multiniveaux telle que celle représentée à la figure-2 de l’annexe.
Phase 2 (t0+12 à t0+24) Recherche et mise au point d’une architecture de switch de puissance. Une architecture telle que celle représentée à la figure-2 nécessite la mise au point d’un commutateur de puissance à commande flottante pouvant être empilé dans une structure série. La réalisation d’un tel commutateur constitue l’élément clé de l’amplificateur dans la mesure où il conditionnera le rendement global de l’amplificateur. On s’orientera vers une technologie GaN de longueur de grille de 0,25µm dans un premier temps, ou moins suivant la disponibilité de transistors de longueur de grille inférieure. La réalisation d’une première maquette de commutateur permettra d’évaluer les performances expérimentales de la solution retenue ainsi que la précision du modèle de transistor en commutation développé.
Phase 3 (t0+24 à t0+36). Développement de l’architecture d’amplificateur, rédaction de la thèse. Cette dernière phase permettra de réaliser et d’évaluer une version hybride de l’amplificateur en classe D. Le driver de l’amplificateur sera assuré par un générateur de fonctions arbitraires (AWG) afin de ne pas cumuler les difficultés expérimentales. On mesurera l’amplificateur en terme de bande passante (essentiellement liée au filtre de sortie), de rendement et de linéarité.

Le travail de thèse sera réalisé au sein du département C2S2 du laboratoire XLIM (www.xlim.fr) sous la direction de Raymond Quéré (raymond.quere@xlim.fr) et de Philippe Bouysse (philippe.bouysse@xlim.fr) en liaison avec le département MINACOM (Stéphane Bila stephane.bila@xlim.fr).

[1] G. Fischer, “Next-Generation Base Station Radio Frequency Architecture”, Bell Labs Technical Journal 12 (2), pp. 3 – 18, Alcatel-Lucent 2007.

[2] A. Wentzel, C. Meliani, G. Fischer, W. Heinrich, “An 8 W GaN-based H-Bridge Class-D PA for the 900 MHz Band Enabling Ternary Coding”,IEEE MTT-S Intern. Microwave Symposium Digest 2012, WEPG-14.

[3] D. Markert, C. Haslach, G. Fischer, A. Pascht, “Coding efficiency of RF pulse-width-modulation for mobile communications,” 2012 Intern. Symp. on Signals, Systems and Electronics (ISSSE), S9.4, pp. 1-5.

Objectifs scientifiques de la thèse
Les objectifs scientifiques de la thèse sont les suivants
– Définition d’une architecture innovante d’amplificateur de puissance RF compatible avec des transmissions numériques
– Conception de cellules de commutation ultra-rapides en technologie GaN
– Modélisation et simulation de l’ensemble dans le domaine temporel.

Compétences à l’issue de la thèse
A l’issue de la thèse le doctorant aura acquis les compétences suivantes
– expertise d’une chaîne d’amplification de puissance en RF
– connaissance approfondie de circuits de commutation en technologie GaN
– traitement du signal associé à la mise en oeuvre d’une classe d’amplification en commutation
– maitrise d’un environnement de CAO
– réalisation de circuits RF

Mots clés (séparés par des virgules)
Commutation, technologie GaN, amplificateur de puissance RF, simulation circuit
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : OUI

Expérience/profil souhaité(e)
Le candidat devra avoir une bonne connaissance des circuits électroniques de commutation ainsi que de solides notions sur les circuits micro-ondes. Les candidatures issues de Master Electronique ou d’écoles d’ingénieurs en électronique sont les bienvenues.

Directeur de thèse
Raymond Quéré
Adresse mail du directeur de thèse : [raymond.quere@xlim.fr

Téléphone Directeur de thèse : +33681782633

Co-directeur de thèse
Philippe Bouysse
Adresse mail du co-directeur de thèse : philippe.bouysse@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : +33555457295
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thèse pour Action transverse : NON

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