Conception d'un système de caractérisation fonctionnelle d'amplificateur de puissance en présence de signaux modulés à l'aide de réflectomètres six-portes
Résumé
In general, power amplifier large signal characterization is done in presence of a continuous wave (CW) signal in order to deliver information that will reach a compromise between output power and power added efficiency (PAE). However, in modern telecommunication systems, power amplifier is excited by digital modulated signals, thus his linearity is a capital criterion for the global performance of the system. It is then important to have a large signal characterization tool allowing to measure the device performance under realistic conditions. In this work, we show the study and the implementation of a load-pull measurement system for power amplifier characterization using complex modulated signals. The output power, the power added efficiency (PAE) and the linearity can be optimized by varying fundamental load impedance and low frequency source/load impedances. These optimizations can be carried out using RF signals such as CW, CW-pulsed, multi-carried and modulated (GMSK, QPSK, QAM, etc.) signals. A multiharmonic source-pull and load-pull measurement system has been developped at the ENST. This system is based on a six-port reflectometers technique, and is capable of optimizing the output power and the PAE in CW mode. In order to use modulated signals, fast and low-cost power detectors based on non-polarised Schottky diodes have been implemented for the power measurement of six-port connections. In addition, to optimise linearity, low frequency impedance control modules have been added at the input and the output of the device under test (DUT). A MESFET power transistor has been tested in class A and AB operation in the presence of a QPSK modulated signal centered at 1.575GHz with a 1 MSps symbol-rate, and a bi-carried signal with 800 KHz separation. The measurements performed lead us to the following three conclusions. The first one is that; the Output power, the PAE, the ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) and the third (IM3) and fifth (IM5) intermodulation product load-pull contours show that the optimal output power, PAE and linearity fundamental impedances are different. So it is necessary to find a compromise between the different performances. On the other hand, the results show that there exists a strong correlation between the ACPR and the IM3 in class A operation (not in class AB). Therefore predicting the ACPR from the IM3 seams to be a difficult task. The second one is the significant influence of low frequency source impedances for class AB operation in the saturation zone. This influence effects only the linearity (5dB on ACPR). The last conclusion is the influence of low frequency load impedances that occurs significantly in class A and AB operation. This influence is more important in class AB. For instance, we observe 5 to 20 dB variations on the ACPR. Note that the optimal impedance is not necessarly a short circuit. However these impedances have a great influence on the PAE (a variation of 10 points) and the output power (variation of 1 dB).
De manière classique, une caractérisation large signal des amplificateurs de puissance s'effectue en présence d'un signal sinusoïdal CW dans le but de fournir aux concepteurs les informations nécessaires permettant un compromis entre puissance de sortie et rendement en puissance ajoutée. Cependant, Dans les systèmes de communications modernes, les amplificateurs de puissance sont soumis à des signaux de plus en plus complexes (modulations numériques) pour lesquels la linéarité est un critère capital supplémentaire pour les performances globales de ces systèmes. Il est donc indispensable de disposer d'outils de caractérisation fonctionnelle permettant de mesurer l'ensemble de ces critères en présence de ces signaux complexes afin de rendre compte au mieux du comportement du dispositif sous test en le plaçant dans ses conditions réelles de fonctionnement. Ce mémoire présente l'étude et la mise en oeuvre d'un banc de caractérisation fonctionnelle de type "load-pull" pour la mesure de l'ensemble des critères de puissance, rendement et linéarité en présence de tous types de signaux (CW, CW-pulsés, GMSK, QPSK, QAM, etc.). L'ENST dispose d'un banc de mesure "source-pull" et "load-pull" multi-harmonique capable d'optimiser la puissance de sortie et le rendement en puissance ajoutée en mode CW. Ce banc est constitué de réflectomètres six-portes, pour la mesure des impédances et des puissances. Afin de permettre l'utilisation de signaux modulés nous avons implémenté des détecteurs de puissance rapides bas coût à base de diodes Schottky non polarisées pour la détection de puissance au niveau des jonctions six-portes. Pour l'optimisation de la linéarité en plus, nous avons ajouté des modules de contrôle des impédances basses fréquences en entrée et en sortie du composant à tester. Un transistor de puissance MESFET a été testé à la fréquence 1.575 GHz en présence d'un signal modulé QPSK de largeur 1.25 MHz et d'un signal bi-porteuses séparées de 800 kHz pour une polarisation de type A et AB. L'ensemble des mesures effectuées permet d'aboutir aux trois principales conclusions montionnées ci-dessous. Premièrement, les contours "load-pull" d'iso-puissances, d'iso-rendement, d'iso-ACPR et d'iso-produits d'intermodulation d'ordre 3 et 5 montrent que les conditions optimales de puissance, de rendement et de linéarité sont différentes d'où la nécessité de trouver des compromis entre les différents critères. D'autre part, ces résultats montrent qu'il existe une forte corrélation entre l'ACPR et le produit d'intermodulation d'ordre 3 en classe A mais pas en classe AB. De toute façon, quel que soit le degré de corrélation, il apparaît difficile de prédire l'ACPR à partir de la connaissance des produits d'intermodulation. Deuxièmement, l'effet des impédances de source BF n'est notable qu'en classe AB dans la zone de saturation. Cet effet se fait sentir uniquement sur la linéarité (variation de 5 dB pour l'ACPR). Finalement, l'effet des impédances de charge BF apparaît quelle que soit la classe de fonctionnement avec évidemment un effet très prononcé pour les classes fortement non-linéaire comme la classe AB pour laquelle on a observé des variations de 5 à 20 dB pour l'ACPR sur toute la dynamique de mesure. Notons que l'impédance optimale n'est pas obligatoirement un court-circuit, et que cette impédance optimale n'est pas toujours l'impédance minimisant la dissymétrie. Par ailleurs, ces impédances ont également une grande influence sur le rendement (variation observée de 10 points) et sur la puissance de sortie (variation de 1 dB).
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