Amplification de puissance radiofréquence à l'état solide - Classes, systèmes et technologies

Cet article et le suivant [E 1 611] traitent de l'amplification de puissance radiofréquence état solide. Les domaines d'application concernent tous les systèmes qui doivent délivrer une puissance en sortie significative pour le produit considéré. On peut grossièrement les classer en deux catégories, selon les contraintes de linéarité :

• applications non linéaires, telles que les télécommunications à enveloppe constante, les dispositifs à impulsions (radars, médical) et le domaine industriel ;

• applications linéaires qui sont de plus en plus indispensables aux services de télécommunications modernes.

Le domaine de fréquences envisagé ici recouvre la gamme de quelques dizaines de kilohertz jusqu'aux limites technologiques actuelles, soit plus de la centaine de gigahertz. Dans la majorité des applications, le sous-ensemble d'amplification de puissance excite une antenne destinée à l'émission d'ondes électromagnétiques. Dans le domaine industriel, celui des plus basses fréquences, l'organe de sortie du système est généralement un solénoïde induisant un champ magnétique.

Dans notre propos, la notion de puissance est toute relative : ainsi, dans le domaine industriel, on parlera de dizaines ou centaines de kilowatts, alors que dans certains domaines des télécommunications, la puissance de sortie peut n'être que de l'ordre du watt (téléphones portables par exemple).

Dans tous les cas cependant, il s'agit de puissance au sens où le sous-ensemble d'amplification consomme la plus grande partie de l'énergie nécessaire au fonctionnement du système complet, et doit donc faire l'objet d'une attention particulière lors de la conception, de façon à optimiser le budget consommation et dégrader le moins possible les paramètres de définition du signal. Ces deux aspects constituent le point commun entre toutes les applications d'amplification de puissance, indépendamment des puissances mises en jeu en valeur absolue.

Si ces critères sont une constante, nous verrons que les solutions proposées peuvent différer, essentiellement pour des raisons technologiques, selon les puissances en valeurs absolues et les gammes de fréquence des systèmes.

Les particularités mentionnées induisent deux conséquences fondamentales sur la conception des amplificateurs de puissance : d'une part, l'optimisation du rendement de conversion de la source d'alimentation vers le signal radiofréquence, d'autre part, la prise en compte des distorsions non linéaires. Un troisième aspect, sous-jacent de la mise en œuvre de puissance, concerne la compréhension des phénomènes thermiques et le traitement de la dissipation de puissance.

Par rapport à l'amplification de petits signaux, pour laquelle les dissipations restent faibles et les distorsions négligeables, l'amplification de puissance sera caractérisée par la mise en œuvre de la plus grande dynamique possible du signal de sortie de l'étage amplificateur, c'est-à-dire qu'on cherchera à approcher les limites de la saturation et du blocage lors de l'excursion du signal.

S'agissant d'état solide, les tensions d'alimentation sont limitées, engendrant des courants importants et par conséquent les impédances d'accès relativement faibles.

Cet article constitue une première partie sur l'amplification de puissance radiofréquence. Après un rappel des définitions des quelques grandeurs utilisées spécifiquement dans le domaine de la puissance, cette partie décrira les principes et les structures de base des amplificateurs de puissance RF (classes d'amplification). Nous présenterons ensuite leurs évolutions, ainsi que des montages plus complexes, proposés pour optimiser certaines performances. Enfin, l'évolution des systèmes allant vers une globalisation de leur conception en vue d'optimiser leurs performances et leurs coûts par une approche pluridisciplinaire, nous aborderons la présentation de procédés d'amplification plus originaux associant d'autres parties du système (traitement de signal). Pour chaque sujet, quelques éléments de décision seront donnés grâce à des indications quantitatives des principales performances. L'amplification état solide faisant appel à des composants dont les puissances unitaires sont limitées (par rapport aux tubes), un paragraphe sera consacré à une présentation succincte des procédés de couplage mis en œuvre pour multiplier cette puissance.

Les paramètres à considérer pour la conception d'amplificateurs de puissance radiofréquence sont : le rendement en puissance, les adaptations d'impédance, la linéarité, les problèmes thermiques et la fiabilité. Nous définirons ces paramètres et un paragraphe sera consacré aux différentes technologies de semi-conducteurs assorties d'une comparaison de leurs caractéristiques respectives.

Un deuxième article traitera plus en détail de la mise en œuvre des amplificateurs à partir des composants disponibles, des caractéristiques de linéarité et des systèmes de correction indispensables aux applications modernes.